Fluid shear force and hydrostatic pressure jointly promote osteogenic differentiation of BMSCs by activating YAP1 and NFAT2

静水压力 机械转化 间充质干细胞 细胞生物学 化学 生物物理学 刺激 体内 细胞骨架 细胞 生物 神经科学 物理 生物化学 热力学 生物技术
作者
Yi Zhou,Pan Guo,Ziyang Jin,Miaomiao Chai,Shuhong Zhang,Xianwei Wang,Wen‐Song Tan,Yan Zhou
出处
期刊:Biotechnology Journal [Wiley]
卷期号:19 (4) 被引量:2
标识
DOI:10.1002/biot.202300714
摘要

Abstract Natural bone tissue features a complex mechanical environment, with cells responding to diverse mechanical stimuli, including fluid shear stress (FSS) and hydrostatic pressure (HP). However, current in vitro experiments commonly employ a singular mechanical stimulus to simulate the mechanical environment in vivo. The understanding of the combined effects and mechanisms of multiple mechanical stimuli remains limited. Hence, this study constructed a mechanical stimulation device capable of simultaneously applying FSS and HP to cells. This study investigated the impact of FSS and HP on the osteogenic differentiation of bone marrow mesenchymal stem cells (BMSCs) and examined the distinctions and interactions between the two mechanisms. The results demonstrated that both FSS and HP individually enhanced the osteogenic differentiation of BMSCs, with a more pronounced effect observed through their combined application. BMSCs responded to external FSS and HP stimulation through the integrin‐cytoskeleton and Piezo1 ion channel respectively. This led to the activation of downstream biochemical signals, resulting in the dephosphorylation and nuclear translocation of the intracellular transcription factors Yes Associated Protein 1 (YAP1) and nuclear factor of activated T cells 2 (NFAT2). Activated YAP1 could bind to NFAT2 to enhance transcriptional activity, thereby promoting osteogenic differentiation of BMSCs more effectively. This study highlights the significance of composite mechanical stimulation in BMSCs' osteogenic differentiation, offering guidance for establishing a complex mechanical environment for in vitro functional bone tissue construction.
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