Att tillsätta eller ta bort vatten från en stamcell kan förändra cellens öde, forskare har upptäckt i en ny studie som publicerades igår i Förfaranden från National Academy of Sciences ( PNAS ).

Forskningen visade att förändring av cellens volym förändrade dess inre dynamik, inklusive styvheten hos matrisen som kantar den yttre ytan. I stamceller, avlägsnande av vatten kondenserar cellen, påverkar stamcellerna att bli stela pre-benceller, medan tillsats av vatten får cellerna att svälla, bildar mjuka fettfettceller.

Forskare har länge förstått att stamceller påverkas av cellerna runt dem, plocka upp ledtrådar om vad deras funktion ska baseras på styvheten hos matriserna i angränsande celler.

Resultaten, dock, bekräfta att naturen spelar en lika stor roll som vård i stamcellens beteende och utveckling.

"Resultaten från denna studie lägger till ett fascinerande nytt verktyg för vår förståelse och användning av stamcellsbiologi för regenerativ medicin, "säger Praveen Arany, DDS, Doktorsexamen, medförfattare och biträdande professor vid Institutionen för oral biologi vid universitetet vid Buffalo School of Dental Medicine.

Studien leddes av Ming Guo, Doktorsexamen, d'Arbeloff Biträdande professor vid Institutionen för maskinteknik vid Massachusetts Institute of Technology; och David Weitz, Doktorsexamen, Mallinckrodt professor i fysik och tillämpad fysik vid John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences vid Harvard University.

"För första gången, vi börjar förstå vikten av cellvolym och cellulärt vatteninnehåll i cellernas mekaniska egenskaper och fysiologiska funktioner, "säger Guo, som började forskningen som doktorand i Weitz laboratorium vid Harvard.

Gränsen mellan ben och fett

Forskningen försökte ursprungligen förstå volymens effekter på cellens egenskaper och funktioner. Cellvolymen är starkt reglerad och förändras ofta under cellens liv, ökar när cellen växer och minskar när den delar sig.

Dessa förändringar i volym är ett resultat av variationer i mängden protein, DNA och andra material i cellen, även om de för det mesta förblir konstanta. Men celler kan också uppleva snabba och extrema förändringar i storlek och densitet genom absorption eller utsläpp av vatten, sprider sig eller krymper på så lite som 20 minuter.

Genom att öka eller minska volymen av celler med 20 procent, utredarna fann att cellerna upplevde flera interna förändringar, inklusive i genuttryck och styvhet.

Att veta vilken roll cellstyvhet spelar i utvecklingen av stamceller, forskarna började undra om cellvolymen också kan påverka deras öde.

För att testa premissen, utredare placerade stamceller vid sin normala volym i ett härdat hydrogelsubstrat för att simulera styvheten hos benceller. Efter en vecka, en stor del av stamcellerna utvecklades till förbenceller.

Experimentet upprepades med ett mjukat hydrogelsubstrat. I en mjukare miljö, det skedde en signifikant minskning av antalet stamceller som blev till före benceller. Dock, när vatten avlägsnades från cellerna för att minska volymen med 20 procent, antalet stamceller som blev före benceller ökade, trots att den befinner sig i det mjukare underlaget.

Ett liknande experiment utfördes med glas. Forskare placerade stamceller på glas för att simulera en styvare miljö och fann att få av cellerna utvecklades till pre-fettceller. Det var inte förrän stamcellernas volym ökades med 20 procent som en spik i bildandet av fettceller hittades.

Utredarna upptäckte att förändring av cellvolymen fick dem att bete sig på samma sätt som om de var under miljöpåverkan.

"Det överraskande med dessa experiment är iakttagelsen att volymen tycks vara relaterad till så mycket om cellen. Det verkar diktera cellstyvheten såväl som cellens öde, "säger Weitz, också en ledande fakultetsmedlem vid Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering och chef för Materials Research Science and Engineering Center vid Harvard.

"Dessa observationer kan också ha konsekvenser för externa sätt att övervaka cellens öde, vilket kan vara viktigt för framtida bioteknikapplikationer. "

Framtida studier behövs för att undersöka effekterna av olika volymförändringar, såväl som om cellvolym eller externa signaler är den dominerande faktorn för stamcellernas öde.

Framtiden för regenerativ medicin

Stamceller ligger i framkant inom regenerativ medicin, ger forskare och kliniker möjlighet att reparera eller ersätta skadad vävnad och organ.

Med förmågan att utvecklas till alla typer av specialiserade celler - från en muskelcell till ett rött blod eller en hjärncell - har stamceller potential att behandla olika sjukdomar och tillstånd, från hjärtsjukdom till tandlossning. Benmärgstransplantation, en form av stamcellsterapi, används redan i stor utsträckning.

Stem cells may also aid in drug development and the understanding of how cancer and birth defects occur.

Learning what causes differentiation among these cells will help researchers generate methods that influence their behavior and, ultimately, develop new therapies.

Aside from physical cues such as cell stiffness or volume, stem cell differentiation can be influenced by a number of biological factors, pharmaceutical drugs or biophysical agents, som ljus, ultrasound and radio frequencies.