2020年8月12日，來自香港大學機械工程系Barbara Pui Chan教授在“Biomaterials”發(fā)表了“Mechanically induced formation and maturation of 3D-matrix adhesions (3DMAs) in human mesenchymal stem cells”的學術論文。該論文主要研究機械信號對干細胞調節(jié)的分子機制，發(fā)現用機械主動刺激能夠主動調節(jié)細胞-材料界面上的細胞-基質相互作用。

                                                                             產品：整合素aV ELISA Kit           

                                                                             貨號：SEB282Hu                                 

                                                                             實驗方法：雙抗夾心                                      

                                                                             檢測范圍：0.156-10ng/mL

研究簡介：

    機械信號對干細胞的命運有著至關重要的影響。周期性拉伸可以增加間充質干細胞（Mesenchymal stem cells, MSCs）的增殖，也可導致骨髓MSCs的心肌細胞分化的增加。細胞-基質黏附是細胞外基質和肌動蛋白細胞骨架之間的跨膜連接。它們由細胞外基質蛋白，整合素簇和膜下黏附蛋白（支架蛋白和細胞內信號蛋白）聚集而成。但是大部分細胞-基質黏附的研究都集中在2D中，沒有對細胞形成黏附進行2D與3D的區(qū)分。因此，細胞-基質黏附和相關蛋白在3D上的調控機理仍有待探尋。

    局部復合體（Focal complexes, FCs）是細胞附著時形成的早期瞬時接觸，在外力的作用下可發(fā)展成黏著斑。黏著斑作為整合素αV移位形成纖溶性粘連（fibrillar adhesions, FBAs）錨點，而這一過程依賴于肌球蛋白的收縮性。FBAs已被證明能夠進一步成熟為一種3D基質粘連（3DMAs）的獨特類型。在功能性組織中，細胞-基質相互作用是調節(jié)干細胞命運的重要手段。本研究旨在探討在不同細胞-基質黏附的形成和成熟，與整合素相關的信號通路以及信號通路在干細胞命運的影響中機械負荷的作用。首先，作者測試了動態(tài)的壓力對FAs形成的影響。

    首先使用對hMSC-collagen進行短期負荷并且進行整合素αV的結合實驗區(qū)測試負荷是否能增加整合素結合。結果顯示在3D環(huán)境下動態(tài)負荷可以增加嵌入在膠原基質中的細胞內整合素結合。之后，作者為了了解動態(tài)壓力是否能激發(fā)整合素通路，將整合素αV、黏著斑激酶（FA kinase, FAK）和FAKp- Y397共染色以了解它們在壓力下募集FAs的能力。結果發(fā)現在對照組中FAK和FAKpY397在胞質區(qū)表達最多，整合素αV呈小點狀表達在細胞外圍；而實驗組中，FAK和整合素αV的共定位呈點狀，這表明在壓力條件下FA形成以及FAK募集，FAKpY397與整合素αV共定位暗示著壓力能誘導FAK通過整合素αV磷酸化。同時，對機械敏感的胞內蛋白長春花素在對照組中以小離散點的形式廣泛表達，并沒有與整合素αV共定位，而實驗組中長春花素與整合素αV共定位在大點中，這表明長春花素募集FAs。為了弄清FAKpY397在受到壓力后的時空定位，作者將hMSCs封裝在3D微組織中施壓10分鐘并加載5分鐘后收集樣本。值得注意的是，FAK遠離FAs，在核周區(qū)域集中成大斑，壓縮時間增至30分鐘的結果也如此。這些結果說明在撤掉機械信號后，活化的FAK可能從FAs釋放到胞漿中激活其下游信號通路。作者注意到一些由壓力誘導的整合素αV形態(tài)上像小泡，這提示著壓力誘導的整合素αV簇通過網格蛋白依賴途徑被內吞，從而導致下游信號事件的發(fā)生。FAKpY397可能與整合素αV一起被內吞，并通過核內小體轉運到核周區(qū)域。

    YAP能直接調節(jié)轉錄和介導細胞機械反應，因此是熟知的機械轉化器。作者發(fā)現，在對照組中YAP主要在細胞質表達，而實驗組中，壓迫后的一分鐘YAP在主要在細胞質表達，壓迫后的五分鐘，YAP在許多細胞核內被觀察到。種種數據表明，YAP介導的信號以稍延遲的方式觸發(fā)。之后，作者研究了FAK在壓力刺激的YAP激活上的作用。在使用了FAK抑制劑后，發(fā)現YAP核內定位減少。添加YAP抑制劑后顯著影響了ANKRD1基因的表達，但CTGF表達沒有線性變化，這說明壓力誘導的核內YAP通過共同轉錄活性上游安排下游靶基因。

    在研究了短期壓力的影響后在，作者對長期壓力的影響做了探究。作者驗證了大多是細胞在每天5h的壓力下能夠存活7天。當hMSCs包被在3D膠原環(huán)境中不受加載時，細胞形成一些小的不能成熟為3DMAs的整合素αV簇。將微組織受壓每天5h，并分別觀察1d、3d、5d、7d時整合素αV、纖連蛋白、樁蛋白共定位以通過免疫熒光染色明確3DMA的特征。

    對照組中，整合素αV在細胞質中分散成小點，纖連蛋白在細胞周邊表達，樁蛋白在細胞表面與部分纖連蛋白共定位，這說明細胞沒有形成3DMAs。實驗組受壓1d后，纖連蛋白和樁蛋白與對照相同，但整合素αV沒有和纖連蛋白、樁蛋白共定位。有趣的是，受壓3d后，細胞開始形成增長的整合素αV黏附并與纖連蛋白、樁蛋白共定位。值得注意的是，這些黏附在受壓5d-7d后變得更長，意味著3DMAs的形成。這些結果說明長期動態(tài)壓力可誘導hMSCs中的3D膠原基質的適應性變化，特別是整合素αV的成熟以形成3DMAs。作者也發(fā)現，機械刺激可增強ECM蛋白沉積，這對3DMAs是至關重要的。

干細胞是生命的起源細胞，人體內所有的組織和器官都是由干細胞分化而來。理論上，任何組織器官出現了損傷，都可以由干細胞來進行修復。