Het toevoegen of verwijderen van water uit een stamcel kan het lot van de cel veranderen, hebben onderzoekers ontdekt in een nieuwe studie die gisteren in de Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ).

Uit het onderzoek bleek dat het veranderen van het volume van een cel de interne dynamiek veranderde, inclusief de stijfheid van de matrix die het buitenoppervlak bekleedt. Bij stamcellen, het verwijderen van water condenseert de cel, de stamcellen beïnvloeden om stijve pre-botcellen te worden, terwijl het toevoegen van water de cellen doet zwellen, vormen zachte pre-vetcellen.

Onderzoekers weten al lang dat stamcellen worden beïnvloed door de cellen om hen heen, het oppikken van aanwijzingen over wat hun functie zou moeten zijn op basis van de stijfheid van de matrices van aangrenzende cellen.

De resultaten, echter, bevestigen dat de natuur een even grote rol speelt als opvoeding bij het gedrag en de ontwikkeling van stamcellen.

"De bevindingen van deze studie voegen een fascinerend nieuw hulpmiddel toe aan ons begrip en gebruik van stamcelbiologie voor regeneratieve geneeskunde, " zegt Praveen Arany, DDS, doctoraat, co-auteur en assistent-professor in de afdeling Orale Biologie van de Universiteit van Buffalo School of Dental Medicine.

De studie werd geleid door Ming Guo, doctoraat, d'Arbeloff Universitair docent bij de afdeling Werktuigbouwkunde van het Massachusetts Institute of Technology; en David Weitz, doctoraat, Mallinckrodt hoogleraar natuurkunde en toegepaste natuurkunde aan de John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences aan de Harvard University.

"Voor de eerste keer, we beginnen het belang van celvolume en cellulair watergehalte in de mechanische eigenschappen en fysiologische functies van cellen te begrijpen, " zegt Guo, die het onderzoek begon als een afgestudeerde student in het laboratorium van Weitz op Harvard.

De grens tussen bot en vet

Het onderzoek was oorspronkelijk bedoeld om de effecten van volume op de kenmerken en functies van een cel te begrijpen. Het celvolume is sterk gereguleerd en verandert vaak in de loop van het leven van een cel, neemt toe naarmate de cel groeit en neemt af wanneer deze zich deelt.

Deze volumeveranderingen zijn het gevolg van variaties in de hoeveelheid eiwit, DNA en andere materialen in de cel, hoewel ze meestal constant blijven. Maar cellen kunnen ook snelle en extreme veranderingen in grootte en dichtheid ervaren door de opname of afgifte van water, uitspreiden of krimpen in slechts 20 minuten.

Door het aantal cellen met 20 procent te vergroten of te verkleinen, de onderzoekers ontdekten dat de cellen verschillende interne veranderingen ondergingen, inclusief in genexpressie en stijfheid.

Weten welke rol celstijfheid speelt bij de ontwikkeling van stamcellen, de onderzoekers begonnen zich af te vragen of het celvolume ook hun lot zou kunnen beïnvloeden.

Om het uitgangspunt te testen, onderzoekers plaatsten stamcellen op hun normale volume in een gehard hydrogelsubstraat om de stijfheid van botcellen te simuleren. Na een week, een groot deel van de stamcellen ontwikkelde zich tot pre-botcellen.

Het experiment werd herhaald met een verzacht hydrogelsubstraat. In de zachtere omgeving, er was een significante afname in het aantal stamcellen dat pre-botcellen werden. Echter, toen water uit de cellen werd verwijderd om hun volume met 20 procent te verminderen, het aantal stamcellen dat pre-botcellen werden, nam toe, ondanks dat het in het zachtere substraat zit.

Een soortgelijk experiment werd uitgevoerd met glas. Onderzoekers plaatsten stamcellen op glas om een ​​stijvere omgeving te simuleren en ontdekten dat weinig van de cellen zich ontwikkelden tot pre-vetcellen. Pas toen het volume van de stamcellen met 20 procent was vergroot, werd een piek in de vorming van vetcellen geconstateerd.

De onderzoekers ontdekten dat het veranderen van het volume van de cellen ervoor zorgde dat ze zich op dezelfde manier gedroegen alsof ze onder druk van het milieu stonden.

"Het verrassende aan deze experimenten is de observatie dat volume gerelateerd lijkt te zijn aan zoveel over de cel. Het lijkt zowel de celstijfheid als het lot van de cel te dicteren, " zegt Weitz, ook een kernfaculteitslid van het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering en directeur van het Materials Research Science and Engineering Center aan Harvard.

"Deze waarnemingen kunnen ook gevolgen hebben voor externe middelen om het lot van de cellen te volgen, wat belangrijk kan zijn voor toekomstige biotechtoepassingen."

Toekomstige studies zijn nodig om de effecten van gevarieerde veranderingen in volume, evenals of celvolume of externe signalen de overheersende factor zijn in het lot van stamcellen.

De toekomst van regeneratieve geneeskunde

Stamcellen lopen voorop in de regeneratieve geneeskunde, onderzoekers en clinici de mogelijkheid bieden om beschadigd weefsel en organen te repareren of te vervangen.

Met het vermogen om zich te ontwikkelen tot elk type gespecialiseerde cel - van een spiercel tot een rode bloed- of hersencel - hebben stamcellen het potentieel om verschillende ziekten en aandoeningen te behandelen, van hartziekte tot tandverlies. Beenmerg transplantatie, een vorm van stamceltherapie, wordt al veel gebruikt.

Stamcellen kunnen ook helpen bij de ontwikkeling van geneesmiddelen en het begrijpen van hoe kanker en geboorteafwijkingen optreden.

Door te leren wat differentiatie tussen deze cellen veroorzaakt, kunnen onderzoekers methoden ontwikkelen die hun gedrag beïnvloeden en, uiteindelijk, nieuwe therapieën ontwikkelen.

Afgezien van fysieke signalen zoals celstijfheid of volume, stamceldifferentiatie kan worden beïnvloed door een aantal biologische factoren, pharmaceutical drugs or biophysical agents, zoals licht, ultrasound and radio frequencies.