Nature Materials:將細胞「擠壓」成為幹細胞

2016年1月18日訊 /生物谷BIOON/ --瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）科學家們最近開發出一種新的方法，幫助細胞變成可用的幹細胞。這種方法涉及使用凝膠來"擠壓"細胞，為大規模生產醫學用途的幹細胞鋪平了道路。

幹細胞目前處於現代醫學的前沿。它們能夠轉化為不同器官的細胞，有望為治療一系列損傷和疾病提供新的方法。但以標準化的方式生產正確類型的幹細胞仍然是一個嚴峻的挑戰。EPEL科學家們開發出一種凝膠，通過三維"擠壓"細胞成型，提升細胞重編程為幹細胞的能力。這項研究2016年1月11日在線發表於《Nature Materials》期刊，新技術還可以輕鬆地擴大幹細胞生產，工業規模地進行各種應用。

幹細胞有不同的類型，其中特別吸引醫學興趣的是"誘導多能幹細胞（induced pluripotent stem cells，iPSCs）"。這些幹細胞源於基因重編程的成熟、成人細胞，表現為幹細胞樣。iPSCs可以再生為一系列不同的細胞類型，比如肝、胰、肺、皮膚等細胞。

研究人員在設計生成這種幹細胞的標準化方法中進行了很多嘗試，但即便是最成功的方法也不是很有效，尤其是在大規模使用方面。一個主要問題是，現有技術使用的是培養皿或細胞培養瓶中的二維環境，但細胞在體內卻處於三維狀態。

Matthias Lutolf實驗室開發出的新方法可能有助於克服這些挑戰。這種方法使用一個三維細胞培養系統。表達重編程因子的細胞被放置在包含正常生長營養物質的凝膠中。"我們試著模擬活體組織中的三維環境，查看它可能如何影響幹細胞的行為"Lutolf解釋道，"但很快我們驚訝地發現，細胞重新編程也受到周圍微環境的影響。"這種情況下的微環境就是所用的凝膠。

研究人員發現，通過調整周圍凝膠的構成（硬度和密度），他們可以比現有方法更快和更有效地重新編程細胞。在硬度和密度的調整中，凝膠會對細胞施加不同的作用力，本質上是在"擠壓"它們。

這種新的現象還沒有被完全理解。不過，科學家們認為，三維環境是這個過程的關鍵，產生機械信號與基因因素共同發揮作用，使細胞更容易轉變成幹細胞。

"每個細胞類型可能都有一個物理和化學因素的'最佳條件'，提供最有效率的轉換"Lutolf說，"一旦找到它，就能夠把握更大規模創建幹細胞的資源和時間關鍵點。"

這一發現的影響可能是巨大的。該技術可以被用於以工業規模從大量細胞產生幹細胞。Lutolf的實驗室正在研究這個問題，但他們的主要關注點是更好地理解這一現象，並找到其他細胞類型的"最佳條件"。(生物谷Bioon.com)

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DOI： 10.1038/nmat4536

Defined three-dimensional microenvironments boost induction of pluripotency

Since the discovery of induced pluripotent stem cells (iPSCs)， numerous approaches have been explored to improve the original protocol， which is based on a two-dimensional (2D) cell-culture system. Surprisingly， nothing is known about the effect of a more biologically faithful 3D environment on somatic-cell reprogramming. Here， we report a systematic analysis of how reprogramming of somatic cells occurs within engineered 3D extracellular matrices. By modulating microenvironmental stiffness， degradability and biochemical composition， we have identified a previously unknown role for biophysical effectors in the promotion of iPSC generation. We find that the physical cell confinement imposed by the 3D microenvironment boosts reprogramming through an accelerated mesenchymal-to-epithelial transition and increased epigenetic remodelling. We conclude that 3D microenvironmental signals act synergistically with reprogramming transcription factors to increase somatic plasticity.