研究發現，改變細胞體積會影響細胞的內部動態，如外表面矩陣排列剛度等。對干細胞來說，去除水分，細胞皺縮，干細胞變為僵硬的前骨細胞。增加水分，細胞膨脹，干細胞變為柔軟的前脂肪細胞。

很早以前，人們就發現干細胞會受周圍細胞影響，能根據周圍細胞基質硬度來推斷自己的功能應該是什么。

這項由MIT機械工程系d'Arbeloff助理教授Ming Guo博士和哈佛大學工程和應用科學學院Mallinckrodt物理和應用物理學教授David Weitz博士領導的研究證實了天然環境對干細胞行為和發育過程起重要調節作用。

“為我們理解干細胞生物學對再生醫學的應用增加了一個新工具，”共同作者、紐約州立大學水牛城分校口腔醫學學院、口腔生物學系助理教授Praveen Arany說。

“我們開始認識到細胞體積和細胞水含量對其生理功能和機械性能的重要性，”郭博士說，他曾是Weitz博士的研究生。

骨頭和脂肪只有一線之隔

在細胞的一生中，體積變化不僅頻繁且受高度調節，生長時體積增加，分裂時體積減少。這項研究zui初是為了了解體積對細胞特性和功能的影響。

體積變化是細胞內蛋白質、DNA等物質數量變化的結果，盡管大部分這些物質都是保持不變的。通過吸收或釋放水，細胞明顯而快速地經歷著膨大和縮小的變化。

減少或增加細胞20%含水量，研究人員發現，細胞內部也經歷了一些變化，如基因表達和剛度等。

已知細胞剛度影響干細胞發育，研究人員開始懷疑細胞體積是否也會影響干細胞命運。

為了測試這個猜測，研究人員首先把正常體積的干細胞放在硬化的水凝膠基質上，一周后，大部分干細胞都發育成了前骨細胞（pre-bone cells）。

用軟化水凝膠基質重復實驗，前骨細胞數量明顯下降。但是，當研究人員把細胞含水量下調20%后，躺在軟化水凝膠基質上的干細胞決定增加前骨細胞分化數量。

研究人員又使用更硬的玻璃作為干細胞培養基質，結果是極少有細胞發育成前脂肪細胞（pre-fat cells），通過提高20%含水量，細胞體積增大后，脂肪細胞的發育出現高漲。

“這是一個令人吃驚的觀察結果，細胞體積通過影響細胞內部剛度，在很大程度上影響了細胞命運，”Weitz說。對細胞命運決定來說，人工模擬的實驗條件與自然環境壓力應該有類似的效果。“這一新發現可能會對生物技術應用起重要作用。”

再生醫學

干細胞是再生醫學的前沿哨兵，為研究人員和臨床醫生提供了修復或替換受損組織的基本材料。由于它們具有特化為任意細胞的潛能，因此，具備治療全身上下各類組織器官疾病的潛力。例如，已被廣泛應用的骨髓移植就是干細胞治療的一種形式。

了解干細胞分化的原因，將有助研究人員開發影響它們行為的各種方法，zui終新型治療手段。

根據目前研究現狀，已知的可影響干細胞分化的手段包括：細胞剛度、體積等物理信號，藥物、生物物理制劑等化學物質，光、超聲和射頻等等。如今，“水含量”也成為了干細胞誘導分化的可用條件。