胚胎干细胞 (ESC) 是一类具有自我更新和多向分化潜能的细胞，具有广泛的应用前景，包括再生医学和组织工程。然而，了解胚胎干细胞如何在体内组织中自发地形成不同细胞类型的过程仍然是一个重要的科学问题。

先前的研究已经发现，细胞外基质、化学信号和细胞-细胞相互作用对胚胎干细胞的分化和定向起着重要作用。然而，胚胎干细胞分化过程伴随胚胎几何形态改变，并随之影响不同空间位置的细胞张力。几何信号如何协同力学信号，特别是细胞张力参与调控胚胎干细胞自组织分化还不是很清楚。揭示胚胎干细胞自组织分化中几何信号和力学信号的作用，可以为深入理解胚胎发育和组织形态生成提供新的见解。

这项研究旨在探索几何信号和细胞张力梯度在胚胎干细胞分化中的作用。研究人员开发了一种3D培养微环境，体外控制胚胎干细胞的几何信号，如形状和大小，并实现了三胚层分化有序结构的模拟和重现，研究人员将这种结构命名为ESC Self-assembloid。

图1. 3D拥挤环境介导干细胞定向分化形成ES self-assembloid

他们观察到Self-assembloid的几何形态改变会影响胚层的分布模式，边缘和高曲率区域的细胞中Cdx2阳性细胞更为丰富，中心区域为Sox2阳性细胞，中间层为Brachyury和Sox17阳性细胞。研究人员通过改变Self-assembloid局部几何信号的方式，实现了局部拥挤力的施加。利用这种方法，研究人员发现这种分化模式是由几何介导的细胞张力梯度决定的，高张力区域形成外胚层中胚胎间充质样层，而低张力区域形成外胚层样细胞系。抑制细胞骨架张力会阻碍胚胎干细胞的自组织过程。

图2. 几何信号协同力学信号调控细胞行为

这些结果表明，几何限制介导的细胞张力在连接多细胞组织结构与细胞分化之间起到关键作用，并对组织形态产生影响。这项研究为我们深入了解空间几何限制、力学信号和胚胎干细胞的空间组织之间的复杂相互作用提供了新的思路。

现任瓯江实验室研究员和PI。主要从事仿生再造和细胞力学的研究。近年来利用多学科交叉的技术和思路，构建了具有生物活性的组织器官和早期发育模型，并专注研究生物力学信号在细胞行为功能、疾病发生发展和组织再生调控方面的作用。

代表性成果包括：（1）利用细胞粘附力和皮质张力引导不同胚胎干细胞自组装性能，体外高效率地构建了具有生物活性的早期胚胎（2）体外精准构建了一系列具有特定结构的类器官，并利用这些模型发现了生物力学信号影响组织修复和疾病发生的基质。（3）系统性地研究了不同的力学信号对于单细胞、多细胞和组织器官功能的影响，为确保干细胞和组织正常生长发育提供了重要的理论与实验依据。相关工作在Nature Cell Biology, Nature Communications, Advanced Science, Biomaterials等期刊发表。

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ACS Appl. Mater. Interfaces 2023, 15, 29, 34397–34406

Publication Date:July 17, 2023

https://doi.org/10.1021/acsami.3c03798 

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