细胞外基质硬度和炎症微环境的协同作用对间充质干细胞成骨分化影响的力学生物学机制

背景间充质干细胞(MSCs)所处微环境非常复杂,现有研究多是考虑单一力学或生化因素影响,对于力学、生化因子的协同作用对MSCs分化行为的影响还缺乏系统认识。目的研究细胞外基质硬度与炎症因子(IL-1β)的协同作用对MSCs成骨分化的影响及其可能的力学生物学机制。方法利用不同浓度的GelMA构建不同硬度(26、60、88 kPa)的细胞培养基底,以模拟不同的细胞外基质硬度。利用IL-1β(1μg/mL)构建细胞炎症微环境。在两者刺激作用下,从基因和蛋白层面分别用RT-PCR和免疫荧光检测成骨指标(Runx2、OCN)的变化。Western blotting检测MAPK信号通路中关键蛋白ERK和p38磷酸化水平变化,并建立基底硬度与IL-1β协同作用下MSCs分化行为的力-化学耦合数理模型,对通路进行验证。结果 MSCs成骨分化能力随着基质硬度的升高而增强。在此基础上,IL-1β的刺激,显著降低了MSCs成骨分化能力。在刺激前期ERK磷酸化水平随着基质硬度的升高而增加,p38基本保持低磷酸化水平。在IL-1β刺激下,ERK和p38磷酸化水平均有显著性提高,且刺激前期ERK磷酸化水平与基质硬度呈正相关,后期则无显著性差异,而p38始终与基质硬度无显著关系。模型结论与实验结果一致。结论基质硬度可能通过ERK对MSCs的成骨分化有正向调节作用。IL-1β可能一方面通过p38抑制了MSCs的成骨分化,另一方面同时激活了ERK的正向调节,起到双向调节作用。模型结论可以为细胞力-化耦合微环境调控细胞行为机制研究提供理论依据。