Микроокружение клетки, сеть белков и полимеров, которая окружает и соединяет клетки в тканях, влияет на ряд клеточного поведения, включая дифференцировку стволовых клеток. Около десяти лет исследователи могут управлять судьбой стволовых клеток, настраивая жесткость их микросреды.
Проблема только с настройкой жесткости микросреды клетки, также известной как внеклеточный матрикс, заключается в том, что она предполагает, что среда ведет себя как эластичный материал, например резина. Когда эластичный материал подвергается деформации или деформации, энергия упругости сохраняется, а когда деформация прекращается, материал возвращается в исходную форму, как резинка. Но по своей природе внеклеточные матрицы не эластичны, они вязкоупругие.
Вязкоупругие материалы, такие как жевательная резинка, расслабляются при напряжении и со временем рассеивают энергию при приложении напряжения.Муни и его команда решили имитировать вязкоупругость живой ткани, разработав гидрогели с различными реакциями релаксации напряжения.
Когда они поместили стволовые клетки в эту вязкоупругую микросреду и настроили скорость релаксации геля, они наблюдали резкие изменения в поведении и дифференцировке клеток.«Мы обнаружили, что с увеличением релаксации напряжения, особенно в сочетании с повышенной жесткостью гидрогеля, происходит усиление дифференцировки остеогенных — костных клеток», — сказал Луо Гу, научный сотрудник лаборатории Муни и соавтор. «С усилением релаксации стресса также наблюдалось уменьшение дифференцировки в жировые клетки. Мы впервые наблюдаем, как релаксация матричного стресса влияет на дифференцировку стволовых клеток в 3D».
Повышенная релаксация стресса не только резко увеличила раннюю остеогенную дифференцировку, но и эти клетки продолжали расти как костные клетки через несколько недель после их начальной дифференцировки и образовали взаимосвязанный минерализованный матрикс, богатый коллагеном, ключевыми структурными особенностями кости.«Эта работа дает новое понимание биологии регенерации и позволяет нам разрабатывать материалы, которые активно способствуют регенерации тканей», — сказал Муни, который также является одним из основных преподавателей Института Висса.
Управление технологического развития Гарварда подало заявку на патент и активно изучает коммерческие возможности этой технологии.По словам Овиджита Чаудхури, бывшего научного сотрудника лаборатории Муни и соавтора, одной из причин того, что быстро расслабляющая микросреда способствует большему остеогенезу и формированию костей, является то, что клетки внутри этих матриц могут механически реконструировать матрицу и легче менять форму.«Представьте, что вы застряли в блоке резины», — сказал Чаудхури. «Каждому движению противостоит эластичность резины.
Но если вместо резины вы попали в ловушку Silly Putty, которая очень быстро снимает напряжение и податлива, вы можете переделывать замазку и перемещаться. В наших экспериментах мы обнаружили, что более быстрая релаксация стресса позволила получить совершенно разные морфологии клеток ».Может показаться нелогичным, что костным клеткам нужна быстро расслабляющая среда, чтобы превратиться в кость, которая очень жесткая и эластичная.
Тем не менее, команда заметила, что микросреда вокруг переломов костей очень похожа на самый быстро расслабляющий гидрогель, который команда разработала в лаборатории.«Скоагулированный костный мозг и гематома с переломом обладают вязкоупругими свойствами и обладают способностью быстро снимать напряжение», — сказал Гу. «Это может быть признаком того, что в естественной среде, когда перелом кости заживает, ему нужна действительно быстрая матрица релаксации напряжения, чтобы способствовать формированию кости».Следующим этапом исследования является тестирование быстро расслабляющих гидрогелей in vivo, чтобы увидеть, способствуют ли они заживлению костей.
«Помимо введения новой концепции в области механобиологии и регенеративной медицины, я ожидаю, что эта работа приведет к взрыву новых идей и исследований, направленных на изучение того, как ряд других механических свойств материала влияет на поведение клеток», — сказал Муни.