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Cell Stem Cell,重磅成果,可促进肠道类器官的生长

2020-10-21 13:45来源:互联网编辑:小狐

导言:最近,麻省理工学院和波士顿儿童医院的科学家发现:在单个细胞内的微观环境中,物理拥挤会增加相互间的作用力,从而改变细胞的发育,可促进肠道类器官的生长。

由于缺乏有关细胞如何影响细胞功能的证据,细胞的物理性质的重要性仍未得到充分认识。

细胞受到不同类型的物理/机械积压刺激后会发生变化,并通过稳定LRP6信号体导致Wnt /β-catenin信号传导显著增强,通过渗透压和机械压缩来增强细胞内排列。Wnt /β-catenin传导信号的提高和肠道干细胞(ISC)自我的增强,可促进肠道类器官的生长

这项新的研究由麻省理工学院和波士顿儿童医院的科学家组织,并于 10 月 13 日发表在《Cell Stem Cell》上,题为“ Volumetric Compression Induces Intracellular Crowding to Control Intestinal Organoid Growth via Wnt/β-Catenin Signaling”他们发现:在单个细胞内的微观环境中,物理拥挤会增加相互间的作用力,从而改变细胞的健康和发育

Cell Stem Cell,重磅成果,可促进肠道类器官的生长(图1)

研究人员在一篇题为“通过Wnt /β-Catenin信号传导诱导细胞压缩体积以控制肠道内类器官生长”的论文中表明:对细胞进行物理挤压可以触发细胞的生长和分裂,其速度比正常情况下更快!

研究人员说:“我们此次研究结果为了解细胞外物理作用与细胞内信号传导之间物理调节器的作用了切入点,并促进了干细胞和类器官的扩增方法。”

尽管通过挤压某种东西使其生长听起来比较荒谬!但研究小组解释道:挤压细胞是将细胞中的水挤出来。细胞的水份更少了,蛋白质和其他细胞成分就能更紧密地堆积在一起。当某些蛋白质紧密靠近时,它们可以触发细胞的传导信号并激活细胞内的生长因子

Cell Stem Cell,重磅成果,可促进肠道类器官的生长(图2)

图形概要

在他们的新研究中,科学家发现挤压肠道细胞会触发蛋白质沿着特定的信号传导路径聚集起来,这可以帮助细胞维持干细胞状态(即未分化的状态)快速生长并分裂。麻省理工学院机械工程副教授郭明博士说,只要简单地挤压细胞以促进其保持“干性”就可以指导它们快速建立微型器官,例如人造肠或结肠,可以用作了解器官功能和各种疾病候选药物的平台,甚至用于再生医学的移植。

为了研究挤压对细胞的影响,研究人员在水凝胶的橡胶板的溶液中混合了各类型的细胞。为了挤压细胞,他们将重物以四分之一或一毛钱的形式放在水凝胶的表面上。

郭明博士说:“我们希望实现细胞大小的显着变化,这两个重量可以将细胞压缩约到总体积的10%到30%”

该小组使用共聚焦显微镜以3D方式测量了每个样品被压缩后单个细胞的形状如何变化。正如他们所期望的,细胞在压力下收缩。但是,挤压还会影响细胞的结构吗?为了回答这个问题,研究人员研究了细胞的含水量是否发生了变化。如果挤压起到将水拧出细胞的作用,研究人员认为细胞应减少水分,从而使细胞更坚硬。

他们使用光学镊子测量了施加重量前后的细胞刚度,这是一种基于激光的技术,郭明博士的实验室多年来一直采用这种技术研究细胞内的相互作用,并发现细胞确实在压力作用下变硬。他们还发现:

接下来,他们研究了细胞受到挤压后,细胞中某些蛋白质之间的相互作用是否发生变化。他们专注于几种已知触发Wnt /β-catenin信号传导的蛋白质,这些蛋白质参与细胞生长和维持细胞干性。

郭明博士说:“一般来说,这种途径使细胞更像干细胞。如果改变该途径的活性,则表明癌症的进展方式和胚胎的发育方式将非常不同。因此,我们认为我们可以使用这种途径来证明细胞拥挤的重要性。”

为了了解细胞的挤压是否影响Wnt途径以及细胞生长的速度,研究人员培育了小的类器官,即微型器官,在这种情况下,还生长了从小鼠肠中收集的细胞簇。

郭明博士说: Wnt途径在结肠中尤为重要。他指出,人类肠道内的细胞正在不断被替换。Wnt途径对于维持肠干细胞,产生新细胞和刷新肠壁至关重要。

他和同事们在培养皿中培养出几个肠类器官,每个肠类器官大小约为0.5mm,通过向其注入聚合物来挤压类器官。聚合物的流入增加了每个类器官周围的渗透压,并迫使水离开了它们的细胞。研究小组观察到:参与激活Wnt途径的特定蛋白质紧密堆积在一起,并且更可能聚簇以开启该途径及其生长调节基因。

研究结果还表明,细胞的行为可能会根据其所含水量而变化

展望未来,他和同事们继续深入研究细胞挤压,加快人造器官的发展。

参考资料:

本文相关词条概念解析:

细胞

细胞(英文名:cell)是生物体基本的结构和功能单位。已知除病毒之外的所有生物均由细胞所组成,但病毒生命活动也必须在细胞中才能体现。一般来说,细菌等绝大部分微生物以及原生动物由一个细胞组成,即单细胞生物;高等植物与高等动物则是多细胞生物。细胞可分为两类:原核细胞、真核细胞。但也有人提出应分为三类,即把原属于原核细胞的古核细胞独立出来作为与之并列的一类。研究细胞的学科称为细胞生物学。世界上现存最大的细胞为鸵鸟的卵子。细胞体形极微,在显微镜下始能窥见,形状多种多样。主要由细胞核与细胞质构成,表面有细胞膜。高等植物细胞膜外有细胞壁,细胞质中常有质体,体内有叶绿体和液泡,还有线粒体。动物细胞无细胞壁,细胞质中常有中心体,而高等植物细胞中则无。细胞有运动、营养和繁殖等机能。

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