Harnessing traction-mediated manipulation of the cell/matrix interface to control stem-cell fate

细胞外基质 细胞生物学 间充质干细胞 干细胞 整合素 细胞粘附 焦点粘着 细胞命运测定 机械转化 生物物理学 材料科学 细胞 纳米技术 化学 生物 信号转导 生物化学 转录因子 基因
作者
Nathaniel Huebsch,Praveen Arany,Angelo S. Mao,Dmitry Shvartsman,Omar A. Ali,Sidi A. Bencherif,José Rivera‐Feliciano,David Mooney
出处
期刊:Nature Materials [Nature Portfolio]
卷期号:9 (6): 518-526 被引量:1555
标识
DOI:10.1038/nmat2732
摘要

Stem cells sense and respond to the mechanical properties of the extracellular matrix. However, both the extent to which extracellular-matrix mechanics affect stem-cell fate in three-dimensional microenvironments and the underlying biophysical mechanisms are unclear. We demonstrate that the commitment of mesenchymal stem-cell populations changes in response to the rigidity of three-dimensional microenvironments, with osteogenesis occurring predominantly at 11-30 kPa. In contrast to previous two-dimensional work, however, cell fate was not correlated with morphology. Instead, matrix stiffness regulated integrin binding as well as reorganization of adhesion ligands on the nanoscale, both of which were traction dependent and correlated with osteogenic commitment of mesenchymal stem-cell populations. These findings suggest that cells interpret changes in the physical properties of adhesion substrates as changes in adhesion-ligand presentation, and that cells themselves can be harnessed as tools to mechanically process materials into structures that feed back to manipulate their fate.
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