干细胞具有分化成多种细胞的潜能，骨髓间充质干细胞在特定的诱导条件下，可定向分化为骨、软骨、神经等细胞，可有效用于疾病治疗。骨组织在体内往往处于复杂的力学微环境中，如流体剪切力、压力等，微环境对于骨组织细胞起到不断的刺激与调节作用。因此，研究复合刺激对骨髓间充质干细胞黏附、增殖和分化等基本行为的影响对于骨组织相关疾病的治疗有着非常重要的指导意义。
图1 复合刺激（剪切力加超声）对细胞行为影响的研究示意图
东华大学纤维材料改性国家重点实验室生物质材料成型与加工课题组成功构建了一种适宜于细胞研究的复合刺激（剪切力加超声波）平台，以研究不同梯度复合刺激对骨髓间充质干细胞增殖和成骨分化的影响。
对于单一的流体剪切刺激来说，适当的剪切力(0.06 dyn/cm2)可有效促进干细胞增殖，但随着剪切力的增加，这种促进作用逐渐减弱，甚至出现一定的抑制作用（与静态培养组对比，图2）。此外，这一适当的剪切力(0.06 dyn/cm2)还可明显促进干细胞成骨分化，其碱性磷酸酶、骨桥蛋白(OPN)和I型胶原(Col I)的表达（成骨相关基因表达）都有显著提升（图3）。
图2 培养4天后，不同剪切力刺激条件下干细胞的粘附状态。(A)不同剪切力条件下骨髓间充质干细胞在微通道内黏附状态的荧光图。红色:肌动蛋白，蓝色:细胞核。(B) - (D)不同剪切力条件下骨髓间充质干细胞的相对细胞密度、相对细胞铺展面积、细胞长径比分布的统计结果。(D)图中右上角的数据为对应细胞长径比的平均值±SD。“*”: p < 0.05,“***”: p < 0.001, “Δ”: p > 0.05.
图3 不同剪切力刺激条件下骨髓间充质干细胞在生长培养基中培养7天后的成骨分化情况。(A)不同剪切力下细胞的相差图。观察前用BCIP/NBT碱性磷酸酶显色试剂盒对细胞进行染色。(B) - (C)不同剪切力条件下骨髓间充质干细胞成骨相关基因(OPN, Col I)表达的统计结果。“***”: p < 0.001, “Δ”: p > 0.05.
超声波在临床中常作为一种安全无创的诊断工具，近年来低强度脉冲超声还常用作修复治疗的一种手段。因此，研究者在上述单一剪切力作用的基础上结合超声刺激，进一步研究复合刺激对干细胞行为的影响。结果表明，复合超声刺激后，干细胞增殖进一步增强（图4）。此外，在较高超声强度的复合刺激下，干细胞成骨分化也能进一步得到促进（图5）。综合结果表明，剪切力和超声刺激都能以强度依赖的方式明显地调控干细胞的增殖和分化等行为。在适当的组合策略下，干细胞的增殖和分化均能得到显著增强。该复合刺激平台的构建及其对干细胞行为影响规律的揭示对新型细胞生物反应器的设计具有重要指导意义。此外，这些发现对骨组织相关疾病或缺陷的预防和治疗也有积极指导意义。
图4 在不同超声刺激条件下，结合剪切力作用（0.06 dyn/cm2），培养4天后细胞的粘附状态。(A)骨髓间充质干细胞在微通道内黏附状态的荧光图。静态组:无剪切力和超声刺激，Ⅰ : 0.075 W/cm2超声结合0.06 dyn/cm2剪切力，Ⅱ : 0.5 W/cm2超声结合0.06 dyn/cm2剪切力，Ⅲ : 1.75 W/cm2超声结合0.06 dyn/cm2剪切力。红色:肌动蛋白，蓝色:细胞核。(B) - (D)不同复合刺激下骨髓间充质干细胞的相对细胞密度、相对细胞面积、细胞长径比分布的统计结果。(D)图中右上角数据为细胞长径比的平均值±SD。“**”: p< 0.01, “***”: p < 0.001 “Δ”: p > 0.05.
图5 在不同超声刺激条件下，结合剪切力(0.06 dyn/cm2)作用，在生长培养基中培养7天后骨髓间充质干细胞成骨相关基因(OPN, Col I)表达的统计结果。“*”: p < 0.05, “***”: p < 0.001, “Δ”: p >0.05.
相关研究成果以题为Effects of compound stimulation of fluid shear stress plus ultrasound onstem cell proliferation and osteogenesis发表在中国生物材料学会会刊Regenerative Biomaterials期刊上。论文第一作者为东华大学硕士生敬灵芝，通讯作者为东华大学姚响副教授。东华大学张耀鹏教授、东华大学范苏娜助理研究员为共同作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市学术/技术带头人计划项目、上海市自然科学基金项目等经费的支持。
原文链接：
https://academic.oup.com/rb/article/8/6/rbab066/6430995
