Cytoskeletal Configuration Modulates Mechanically Induced Changes in Mesenchymal Stem Cell Osteogenesis, Morphology, and Stiffness.
Cytoskeletal Configuration Modulates Mechanically Induced Changes in Mesenchymal Stem Cell Osteogenesis, Morphology, and Stiffness.
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DOI：
10.1038/srep34791
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发表时间：
2016-10-06
影响因子：
4.6
通讯作者：
Judex S
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Pongkitwitoon S;Uzer G;Rubin J;Judex S
间充质干细胞（MSC）对身体活动产生的机械信号的反应对骨骼发育和重塑至关重要。在这里，我们利用低强度振动（LIV）作为生理相关的机械信号，并假设由2D培养施加的受限的细胞骨架配置将使人骨髓间充质干细胞（hBMSC），以更强大的响应时，LIV被施加在平面内（水平-LIV），而不是平面外（垂直-LIV）。所有LIV信号增强hBMSC增殖，成骨分化，并上调与细胞骨架结构相关的基因。细胞反应在较高频率（100 Hz vs 30 Hz）下和在水平面上应用时更明显。水平而不是垂直LIV重新排列细胞骨架，最终增加细胞刚度。我们的研究结果表明，在主细胞附着平面内施加非常小的振荡运动，而不是垂直于它，放大了细胞对LIV的反应，表面上有利于更有效地转移细胞内的力量。转录和结构的变化，特别是与水平LIV，连同信号的强频率依赖性，强调细胞内的细胞骨架结构的重要性，在低强度的高频机械信号的传感和响应。
Mesenchymal stem cells (MSC) responding to mechanical cues generated by physical activity is critical for skeletal development and remodeling. Here, we utilized low intensity vibrations (LIV) as a physiologically relevant mechanical signal and hypothesized that the confined cytoskeletal configuration imposed by 2D culture will enable human bone marrow MSCs (hBMSC) to respond more robustly when LIV is applied in-plane (horizontal-LIV) rather than out-of-plane (vertical-LIV). All LIV signals enhanced hBMSC proliferation, osteogenic differentiation, and upregulated genes associated with cytoskeletal structure. The cellular response was more pronounced at higher frequencies (100 Hz vs 30 Hz) and when applied in the horizontal plane. Horizontal but not vertical LIV realigned the cell cytoskeleton, culminating in increased cell stiffness. Our results show that applying very small oscillatory motions within the primary cell attachment plane, rather than perpendicular to it, amplifies the cell’s response to LIV, ostensibly facilitating a more effective transfer of intracellular forces. Transcriptional and structural changes in particular with horizontal LIV, together with the strong frequency dependency of the signal, emphasize the importance of intracellular cytoskeletal configuration in sensing and responding to high-frequency mechanical signals at low intensities.
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