力学因素对间充质干细胞神经向分化的影响

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.0501

中国组织工程研究 ›› 2018, Vol. 22 ›› Issue (17): 2761-2768.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.0501

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力学因素对间充质干细胞神经向分化的影响

江静怡^1，2，樊瑜波^1，2，郑丽沙^1，2

¹北京航空航天大学生物与医学工程学院，生物力学与力生物学教育部重点实验室，北京市 100083；²北京航空航天大学生物医学工程高精尖创新中心，北京市 100083

修回日期:2018-01-13 出版日期:2018-06-18 发布日期:2018-06-18
通讯作者: 郑丽沙，博士，副教授，硕士生导师，北京航空航天大学生物与医学工程学院，生物力学与力生物学教育部重点实验室，北京市 100083；北京航空航天大学生物医学工程高精尖创新中心，北京市 100083
作者简介:江静怡，女，1993年生，江苏省南通市人，汉族，北京航空航天大学生物与医学工程学院在读硕士，主要从事力学生物学、组织工程基础研究。
基金资助:
国家自然科学基金(11572030，61227902，11120101001，11421202)；科技部国家重点研发计划(2017YFC0108505，2017YFC0108500)

Effects of mechanical stresses on neural differentiation of mesenchymal stem cells

Jiang Jing-yi^{1, 2}, Fan Yu-bo^{1, 2}, Zheng Li-sha^{1, 2}

¹Key Laboratory for Biomechanics and Mechanobiology of Ministry of Education, School of Biological Science and Medical Engineering, Beihang University, Beijing 100083, China; ²Beijing Advanced Innovation Centre for Biomedical Engineering, Beihang University, Beijing 100083, China

Revised:2018-01-13 Online:2018-06-18 Published:2018-06-18
Contact: Zheng Li-sha, Ph.D., Associate professor, Master’s supervisor, Key Laboratory for Biomechanics and Mechanobiology of Ministry of Education, School of Biological Science and Medical Engineering, Beihang University, Beijing 100083, China; Beijing Advanced Innovation Centre for Biomedical Engineering, Beihang University, Beijing 100083, China
About author:Jiang Jing-yi, Master candidate, Key Laboratory for Biomechanics and Mechanobiology of Ministry of Education, School of Biological Science and Medical Engineering, Beihang University, Beijing 100083, China; Beijing Advanced Innovation Centre for Biomedical Engineering, Beihang University, Beijing 100083, China
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China, No. 11572030, 61227902, 11120101001, 11421202; the National Key R&D Program of China, No. 2017YFC0108505, 2017YFC0108500

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：
细胞外基质调控间充质干细胞分化：在生物体内，细胞并不是孤立存在的，而是存在于其周围一定的微环境中，这个微环境包括其周围的基质细胞、细胞间质、体液以及各种细胞因子和物理因素等。细胞的微环境也被称为细胞生存的细胞外基质，越来越多的证据证明这些物理和化学因素共同影响细胞的命运。因此，通过改变细胞外基质的物理环境来调控干细胞的生物学行为，已经成为组织工程和再生医学研究的热点领域。
力学因素：是调节间充质干细胞生物学行为的一种重要因素，存在于一切细胞微环境中。学者们利用生物反应器在体外模拟体内多种力学环境，研究力学刺激对干细胞生物学行为的影响。如：利用平行平板流动腔和径向流装置等模拟流动剪切力、Flexer-cell加载系统模拟牵张力、水凝胶和聚二甲基硅氧烷作为基底模拟细胞外基质的不同硬度和拓扑结构等。适当的力学因素结合各种化学分化诱导因子等可以影响干细胞的分化方向，对组织工程具有重要的意义。

摘要
背景：目前，通过对细胞施加机械力学刺激或改变细胞所处的微环境来调控干细胞的分化方向，已经成为了组织工程与再生医学领域的研究热点。
目的：综述了近10年来力学因素调控间充质干细胞神经向分化领域的研究进展，为干细胞替代疗法治疗退行性疾病提供相关的理论基础。
方法：检索Web of Science和PubMed数据库中关于力学因素对间充质干细胞神经向分化影响的文献，并进行系统的归纳总结和分析，最终得到104篇相关文献。
结果与结论：机械力刺激、细胞外物理环境因素对骨髓间充质干细胞、脂肪间充质干细胞、牙髓干细胞、子宫内膜干细胞等间充质干细胞的神经向分化有重要影响。不同的力学因素可能通过PI3K-AKT-mTOR、Wnt/β-catenin、Rho、MAPK等信号通路调控间充质干细胞的神经向分化，但具体的机制还有待进一步研究。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：干细胞；骨髓干细胞；造血干细胞；脂肪干细胞；肿瘤干细胞；胚胎干细胞；脐带脐血干细胞；干细胞诱导；干细胞分化；组织工程
ORCID: 0000-0001-9344-2964(郑丽沙)

关键词: 机械应力, 细胞外基质, 三维培养, 间充质干细胞, 神经向分化, 干细胞, 国家自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: Currently, regulation of stem cell differentiation by mechanical stresses or microenvironment has become a popular issue in the tissue engineering and regenerative medicine.
OBJECTIVE: To review the progress in the effects of mechanical stress on neural differentiation of mesenchymal stem cells in the last decade, providing theoretical basis for stem cell replacement therapy in the treatment of degenerative diseases.
METHODS: A search of Web of Science and PubMed database was done to retrieve articles addressing the effects of mechanical stresses on the neural differentiation of mesenchymal stem cells. After systematical analysis and summarization, 104 articles were finally selected and analyzed.
RESULTS AND CONCLUSION: Mechanical stimulation and extracellular physical environment factors have important influence on the neural differentiation of mesenchymal stem cells from the bone marrow, adipose tissues, dental pulp and endometrium. PI3K-AKT-mTOR, Wnt/beta-catenin, Rho, MAPK signaling pathways may be involved in the mechanical stresses regulated neural differentiation. However, the clear molecular mechanism needs further studies.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：干细胞；骨髓干细胞；造血干细胞；脂肪干细胞；肿瘤干细胞；胚胎干细胞；脐带脐血干细胞；干细胞诱导；干细胞分化；组织工程

Key words: Mesenchymal Stem Cells, Cell Differentiation, Neurons, Stress, Mechanical, Tissue Engineering

中图分类号:

R394.2

江静怡，樊瑜波，郑丽沙. 力学因素对间充质干细胞神经向分化的影响[J]. 中国组织工程研究, 2018, 22(17): 2761-2768.

Jiang Jing-yi, Fan Yu-bo, Zheng Li-sha. Effects of mechanical stresses on neural differentiation of mesenchymal stem cells[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2018, 22(17): 2761-2768.

图/表（结果） 2

2.1 机械应力调控间充质干细胞神经向分化

2.1.1 流动剪切力 流动剪切力是组织再生和重建过程中最重要的机械刺激之一。研究表明流动剪切力对维持细胞、组织乃至整个机体正常的生理状态都有重要意义^[19-21]。许多实验室根据流变学原理研制了相应的细胞力学实验装置，其中包括近些年研究较广泛的微流控等。目前，微流控细胞培养系统已经用于二维(2D)和三维(3D)细胞培养^[22-24]。人类脂肪组织干细胞是一种组织特异性干细胞，可以分化成多种间充质细胞，如骨细胞、软骨细胞、脂肪细胞、肌肉细胞等^[25-26]。Choi等^[27]利用3D微流控通道芯片培养人脂肪干细胞，并加入神经分化诱导液。结果显示生长在芯片上的人脂肪干细胞形成的神经球比在普通培养皿中培养的细胞多，且诱导细胞产生更多的γ-氨基丁酸，几乎60%的细胞都表达γ-氨基丁酸。此外，芯片/PCR分析表明3D微流控细胞培养系统是通过诱导激活人脂肪干细胞中wnt5A/β-catenin信号通路，从而导致人脂肪干细胞的自我更新和神经向分化。Jeon等^[28]连续2 d对接种在微图形化基底上的骨髓间充质干细胞加载3 h 0.1 Pa和0.25 Pa的流动剪切力，然后对细胞进行神经向诱导，结果显示流动剪切力促进了骨髓间充质干细胞中神经元标志物微管蛋白(β-tubulin Ⅲ)、微管相关蛋白2(MAP-2)等分子的表达。然而，另一研究给骨髓间充质干细胞施加1.5 Pa的流动剪切力，然后继续在神经向分化诱导培养基中培养细胞，结果显示流动剪切力并未影响骨髓间充质干细胞的神经向分化效率^[29]，可能原因是1 h的加载时间过短。

2.1.2 微重力 太空飞行会使宇航员处于微重力环境中，引起许多人体生理的变化^[30]。大量研究证明了微重力对细胞内信号通路、细胞分泌物和基因表达的影响机制^[31]。目前的研究发现模拟微重力作为一种机械因素可以影响间充质干细胞的分化和功能^[32]，并触发细胞在体外进行三维组装，从而模拟体内的状态^[31^，^33-34]，被认为是组织工程和再生医学领域的一种新策略。有学者研究了模拟微重力条件下骨髓间充质干细胞的多向分化能力。研究将骨髓间充质干细胞分为正常重力(NG)组和模拟微重力(SMG)组，模拟微重力组内细胞骨架从纺锤形变成圆形，细胞内干细胞多能性标记物OCT4表达量上调，特别是模拟微重力加载72 h时是最适合骨髓间充质干细胞多向分化的时间点。诱导两组细胞神经向分化，免疫染色和免疫印迹结果发现模拟微重力组内骨髓间充质干细胞分化形成的神经样细胞中MAP-2和神经丝蛋白(NF-H)的表达量均高于正常重力组。因此，该研究认为模拟微重力可能是通过调节细胞骨架和OCT4的表达来诱导骨髓间充质干细胞的分化^[35]。Xue等^[36]在不同的分化培养基中培养骨髓间充质干细胞72 h或10 d。结果发现短时间的微重力刺激(72 h)可以促进骨髓间充质干细胞向内皮细胞、神经元和脂肪细胞分化；而延长微重力(10 d)的刺激时间则会促进骨髓间充质干细胞分化为成骨细胞。他们还发现，短时间的微重力刺激显著降低了细胞内Ras家族成员RhoA激酶的活性，但长期的微重力刺激却使RhoA激酶的活性显著增加。而当RhoA激酶的活性受到抑制时，长期的微重力作用效果就会被恢复。这些结果表明，微重力刺激通过RhoA激酶相关的信号通路调节骨髓间充质干细胞的神经向分化能力。此外，Chen等^[37]研究也表明模拟微重力显著增强了骨髓间充质干细胞成神经向分化的诱导效果。Zarrinpour等^[38]使用快速旋转的回转器模拟微重力条件，研究微重力刺激对人脂肪干细胞神经向分化的影响。结果显示无论是神经诱导分化之前还是之后，模拟微重力都可以促进细胞内MAP-2、脑源性神经营养因子(BDNF)和神经营养因子(NT-3)表达量的上调。由以上所有研究结果可见，模拟微重力可以促进间充质干细胞的神经向分化。

2.1.3 牵张力 纵观机体所处的力学刺激环境，似乎可以发现一个有趣的现象，即大多数的力学刺激都是有“节奏”的，并常以牵张力的形式表达，譬如心脏规律泵血时外周血管壁的反复牵拉、运动状况下骨骼和肌肉的反复拉伸、口颌系统咀嚼运动时牙周膜组织承受的规律牵张等。近来已有不少相关研究证实了周期性牵张力的生物学重要性。研究发现骨髓间充质干细胞对机械牵张非常敏感，不同振幅、不同频率的牵张会有利于骨髓间充质干细胞向不同的方向分化^[39-41]。而Leong等^[42]发现只有低频率、低振幅的牵张(0.5 Hz，0.5%)能够在没有额外的诱导培养条件下促进骨髓间充质干细胞的神经向分化，同时，他们还发现该过程是通过活化Rac1而非Rho A来实现的。

2.1.4 次声振动 除了上述的机械力刺激对间充质干细胞的神经向分化有影响以外，研究发现次声振动也能影响骨髓间充质干细胞的分化方向。有研究给骨髓间充质干细胞施加了40 Hz的次声振动而不进行诱导培养，持续刺激5 d后发现细胞表现出神经细胞样形态，神经向标志物的表达量显著升高，而且此过程中还伴随着ERK激酶的激活^[43]。同样的，在另一研究中，人脂肪组织干细胞无需神经向诱导培养，在30 Hz次声振动持续刺激4 d后，也表现出神经向分化的现象，同时伴随着ERK激酶的活化。上述研究表明次声振动能够通过激活ERK激酶信号通路调控间充质干细胞的神经向分化^[44]。

2.2 细胞外基质调控间充质干细胞神经向分化 在生物体内，细胞并不是孤立存在的，而是存在于其周围一定的微环境中，这个微环境包括其周围的基质细胞、细胞间质、体液以及各种细胞因子和物理因素等^[45-46]。细胞的微环境也被称为细胞生存的细胞外基质^[47]，越来越多的证据证明这些物理和化学因素共同影响细胞的命运^[48-52]。因此，通过改变细胞外基质的物理环境来调控干细胞的生物学行为，已经成为组织工程和再生医学研究的热点领域。细胞在体内和体外的微环境条件，见图1^[53]。

2.2.1 细胞外基质的硬度 在生物体内，每一种组织和器官都有自己独特的“硬度特征”，因此机体内的细胞都处于不同的细胞外基质硬度条件下^[54]。细胞外基质的硬度作为一种力学性质，对细胞的多种生物学行为如黏附、形态、增殖、分化、凋亡和迁移等都有重要的影响^[55-59]。特别是干细胞在不同硬度的基底上生长时对应不同的分化方向，见表1。研究表明，细胞在与不同组织相对应硬度的基底上生长时趋向于向相应组织方向分化^[60-61]。

例如，在最接近骨硬度的基质上进行成骨诱导培养前成骨细胞时，细胞内的钙沉积最多^[62]；在模拟肌肉和骨骼组织硬度的基质上培养多功能间充质干细胞时，细胞趋向于分化为肌细胞和骨细胞^[63]。同样的，在接近于神经组织硬度的环境中诱导培养干细胞也有利于细胞的神经向分化^[64]。据报道，细胞外基底表面硬度< 1 kPa时，该硬度条件类似于人体的脑组织环境。研究证实当人骨髓间充质干细胞生长在硬度低于30 kPa的软组织上时，就会出现趋向于分化为神经元和成肌细胞的现象。但若基底硬度低于250 Pa时，人骨髓间充质干细胞则不再向任何谱系方向分化，而是维持干性^[65]。Wang等^[66]研究了可调节机械硬度的水凝胶对间充质干细胞生长和神经向分化的作用。结果发现在没有生物化学因子存在时，在基底硬度<1 kPa水凝胶上培养的间充质干细胞也会神经向分化。而这些细胞若继续在该硬度的水凝胶上培养3周后，则会表达更多的神经元标志蛋白。由此可见，非常柔软的细胞外基底(< 1 kPa)可以诱导干细胞神经向分化。此外，研究表明软基底能促进神经元的功能，如辅助神经形态的发展并且提高细胞产生动作电位的能力^[67-68]。有研究证实软基底可用以提高干细胞神经向诱导分化的转化率和特异性，并缩短其时间^[69]。

除了基底本身的硬度以外，基底的厚度也被证明能够影响干细胞的生物学行为。细胞不仅能感受到附着点所在位置(直接接触点)的力学性质，也能感受到附着位置周围基底的力学性质^[50]。研究发现，在相同的基底硬度和诱导培养条件下，130 μm薄的胶原凝胶会促进人骨髓间充质干细胞骨架肌动蛋白的聚合和神经向分化；而1 440 μm厚的胶原凝胶不会促进人骨髓间充质干细胞骨架的铺展，并且还抑制了细胞的增殖和分化。这一结果表明，较厚的基底能被细胞所感觉到的硬度比薄的基底少，因此，细胞外基底的厚度也是影响细胞生物学行为的重要因素之一^[70]。

细胞外物理环境的调控作用是将物理信号转化为胞内化学信号实现的。最近的研究表明，细胞外基质的硬度通过影响一些相关信号通路来调节干细胞的分化。有研究认为，细胞是通过黏着斑的牵拉力来感受基底硬度的。在软基底上，细胞感受到的力学反馈小，细胞骨架伸缩力随之变小，且应力纤维聚合速率降低，细胞呈现出圆且小的形态；反之，在硬基底上细胞感受到的力学反馈大，细胞骨架伸缩力变大并加速应力纤维的产生，细胞呈现出完全伸展的形态特点^[18]。此外，整合素也是细胞感受基底硬度的关键分子。有研究证明整合素与配体结合的速率是由整合素-细胞外基质系统的有效弹性系数和肌动球蛋白牵引速度决定的，它们分别由细胞外基质的硬度和肌球蛋白轻链Ⅱ调节。因此Jiang等^[71]提出细胞感受细胞外基质机械力是通过细胞骨架的装配速率来传递信号的。为验证这个模型，他们利用低浓度的肌球蛋白抑制剂(blebbistatin)处理骨髓间充质干细胞，减少肌球蛋白的牵引力，从而增加了整合素的内吞并导致骨髓间充质干细胞在可以促进成骨向分化的硬基底上出现了神经向分化的趋势。同样，Du等^[72]证明较软的细胞外基底可以通过促进整合蛋白β1(integrin-β1)的内吞作用促进骨髓间充质干细胞的神经向分化。还有研究表明，细胞外基质硬度调节细胞功能是通过影响肌动球蛋白纤维的收缩力、整合素的细胞定位和PI3K信号通路实现的^[73-74]。此外，SMAD信号级联也是调控干细胞神经向分化的一个重要通路。在胚胎早期发育中抑制SMAD信号通路可以启动神经的生长；在体外抑制间充质干细胞中SMAD的表达也能促进细胞的神经向分化^[75]。SMAD信号通路参与了基底硬度影响干细胞神经向分化的过程。有研究者认为，较软的细胞外基底可能是通过影响BMP受体活性来调控SMAD信号在细胞表面的表达水平，因为软基底上培养的间充质干细胞内SMAD的磷酸化被抑制^[72]；同时，软基底会使间充质干细胞中的BMP-SMAD信号通路中断^[76]。除此之外，干细胞在不同硬度的基底上生长时，SMAD的核质定位情况会发生变化。此外，SMAD的核质定位也取决于细胞表面分子对Hippo/YAP信号通路的影响：在硬基底上培养的干细胞内YAP能促进SMAD入核，而在软基底上YAP则被LATS1/2磷酸化从而与14-3-3蛋白结合滞留在细胞质中，无法促进SMAD入核^[69]。这些结果表明软基底可以通过抑制SMAD的活性及其入核的能力来调控干细胞的神经向分化。

2.2.2 细胞外基质的形貌 细胞能够通过改变自身形态、排列等来适应不同的基底表面形貌，而细胞的形态、排布与干细胞的功能和分化方向有着密切的关系^[77-78]。除了细胞外基底的硬度，细胞外微环境的形貌也可以影响细胞的黏附、增殖和迁移、分化以及新组织的产生^[79-81]。例如当牛肺动脉平滑肌细胞在350 nm宽的条纹基底上培养时，细胞的形态、增殖和迁移发生明显的变化^[82]。因此，细胞的神经向分化也可以通过不同的细胞外基质形貌来调控^[82-83]。目前许多研究利用多种细胞外基质形貌模拟体内生理微环境状态，包括表面有沟槽、网格、支柱或六角形的基底。其中有沟槽的基底可以促进人骨髓间充质干细胞成骨向分化^[84]；而微型孔状基底则会促进人骨髓间充质干细胞的脂向分化或神经元向分化^[85]。细胞外基质的形状能够影响细胞神经向分化。Kim等^[24]发现当在350 nm宽的条纹基底上培养骨髓间充质干细胞时，细胞的胞体和细胞核明显变长。而且神经元和肌肉细胞的特征标志物表达量均显著上调，MAP-2和β-Tubulin Ⅲ等成熟神经元的标记物也被检测到。他们还发现，细胞外基底的形态和药物刺激(如视黄酸)都可以进一步增强骨髓间充质干细胞内神经元标记物的表达，相比于只用视黄酸处理的细胞，基底的形态对细胞分化的影响效果更明显。此外，细胞外基质不同的形状改变了细胞的排布，也对细胞神经向分化产生影响。Mirzaei等^[86]在电纺纳米碳纤维(CNFs)上神经向诱导培养人子宫内膜干细胞(hEnSCs)，通过不同的细胞外基质形态使得细胞呈现出随机排布和整齐排布两种状态，结果发现在两种排布状态下细胞都向神经方向分化。然而整齐排布的人子宫内膜干细胞中神经元标记物NF-H和β-Tubulin Ⅲ的表达量显著上调，而神经祖细胞标记物巢蛋白(Nestin)的表达量下调。与之相反，随机排布的人子宫内膜干细胞则表达更多的Nestin，且少突细胞标记物(OLIG-2)的表达量也有少量上调。

2.2.3 三维培养 在过去的研究中，干细胞的体外培养大都是在传统的二维培养系统(单层细胞)中进行，然而二维培养仅在一个平面内，细胞受力单一，且二维培养的干细胞增殖和分化能力低，极大的限制了干细胞治疗的效果^[87]。不同于传统的二维培养方式，三维培养就是利用各种方法及材料为细胞提供三维的结构支撑，使细胞呈空间立体方式生长，受力方式多样化，形成与体内组织相似的细胞生长微环境，从而引导组织的形成^[88]。三维支架的微观结构在很大程度上决定了在外部宏观载荷的作用下，细胞受到怎样的局部作用力，这种作用力影响着个体细胞的行为^[89]。近些年，各种三维培养系统已经被应用于间充质干细胞的研究中，并能显著增加干细胞的分化效率^[90]。

目前，已经有许多学者利用三维培养模拟体内神经细胞的生长环境和受力状态影响干细胞的神经向分化^[91-92]。三维结构的水凝胶支架可以帮助控制营养物质和氧气的供应，因此能够模拟生物体自然的组织结构，为干细胞的生长和迁移以及特定谱系分化提供必要的条件^[93]。许多研究发现，胶原包被的三维结构水凝胶可以支持骨髓间充质干细胞^[94-96]、脂肪间充质干细胞^[97]、牙龈间充质干细胞(GMSCs)的生长^[98]，并且在诱导培养条件下促进其神经向分化。三维结构水凝胶还可以促进牙髓干细胞诱导分化为视网膜神经节细胞^[99]。三维结构的聚乳酸支架也可以促进牙龈间充质干细胞的神经向分化，且细胞内PI3K/Akt信号通路中的基因表达量出现上调^[100]。此外，研究已经证实三维结构的壳聚糖支架能促进间充质干细胞在外伤性脑损伤区域向神经元细胞分化。还有许多学者研究了三维结构的壳聚糖支架在牙髓干细胞体外神经分化中的作用，结果发现Wnt/β-catenin信号通路在调控牙髓干细胞结合到三维壳聚糖支架以及细胞的神经向分化中发挥了关键作用^[101-102]。目前，也有少量的研究表明，在静电纺丝三维支架上诱导培养间充质干细胞中β-Tubulin Ⅲ和MAP-2的表达量上调^[103-104]。但是，生长在二维或三维基底上的干细胞是如何感觉到它们所处的环境还仍未阐明，需要进一步研究。

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引言

近些年，神经退行性疾病(如亨廷顿病、多发性硬化症、阿尔茨海默病、帕金森病和肌萎缩性脊髓侧索硬化症等)和创伤性脊髓损伤等神经系统疾病的发生频率逐渐上升^[1]。这些疾病造成的神经元和神经胶质细胞损失、轴突退化和神经回路损伤等严重影响着人们的健康和生活质量^[2]。尽管成人中枢神经系统存在颗粒下层区和室管膜下层区这两个神经区，可以在生长过程中生成新的神经元，但是成年中枢神经系统产生新的神经元和神经胶质细胞的能力是非常有限的^[3]。因此，神经组织损伤后诱导内源性神经修复是一个具有挑战性的问题^[4]。应用干细胞及支架材料修复中枢神经系统损伤，是再生医学领域中非常具有挑战的前沿研究领域。许多学者已经着手研究干细胞如胚胎干细胞、间充质干细胞、神经干细胞、诱导多能干细胞等修复神经系统功能的能力^[5-9]。

干细胞按其来源分为胚胎干细胞和成体干细胞，但由于伦理学争议和来源困难等原因，很大程度上限制了胚胎干细胞在临床上的应用前景^[10-11]。间充质干细胞(mesenchymal stem cells，MSCs)是一种成体干细胞，来源于中胚层，主要存在于全身的结缔组织和器官间质中，以骨髓组织中的含量最为丰富。这类细胞因具有取材容易、培养简单、体外增殖能力强、可以传代并且不改变生物学特性、具有多向分化潜能、无伦理学争议等众多优点而备受瞩目^[12-13]。在特定培养条件下，间充质干细胞可分化为成骨细胞、软骨细胞、脂肪细胞、成纤维细胞等。近来研究发现间充质干细胞还可以分化为一些非间质组织细胞，如神经胶质细胞和神经元。因此，间充质干细胞成为治疗中枢神经系统疾病的一种理想供体细胞^[13-14]。

干细胞分化是一个多基因、多步骤、影响因素众多的复杂过程。生长因子、诱导因子等化学成分能够调控干细胞的分化，同样细胞所受到的物理刺激也对细胞的分化起到调控作用。例如不同大小的流动剪切力对骨髓间充质干细胞的分化方向有显著影响。流动剪切力增大，骨髓间充质干细胞在成骨和成软骨诱导培养条件下表现出更明显的成骨向分化^[15]；Ward等^[16]对骨髓间充质干细胞施加0.5 Hz、3%-5%的周期性张应力，在成骨诱导培养基中继续培养，与未施加牵张力的对照组相比，牵张力显著促进了骨髓间充质干细胞成骨向分化；在软基底(较小杨氏模量)表面培养的干细胞会表达神经元标记物^[17-18]。目前，利用机械力刺激或改变细胞所处的物理环境来调控干细胞的分化方向，已经成为了组织工程与再生医学领域的研究热点。但是，干细胞如何感知和响应细胞外物理环境仍未阐明。

文章重点总结了近10多年来力学因素调控间充质干细胞神经向分化领域的研究进展，为干细胞替代疗法治疗退化性疾病提供相关的理论基础。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：干细胞；骨髓干细胞；造血干细胞；脂肪干细胞；肿瘤干细胞；胚胎干细胞；脐带脐血干细胞；干细胞诱导；干细胞分化；组织工程

力学因素对间充质干细胞神经向分化的影响

Effects of mechanical stresses on neural differentiation of mesenchymal stem cells

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