生物物理效應對間葉幹細胞分化之影響機轉探討及利用表面電漿共振技術即時評估生物物理效應

幹細胞分化時，決定分化命運的轉錄因子在引導分化的早期便會大量表現。然 而，除了轉錄因子的調控外，透過細胞骨架的改變、細胞和細胞間或細胞和間質 的交互作用所產生的生物物理效應，亦參與了分化早期時細胞分化命運的決定。 間葉幹細胞於成骨細胞分化之早期，已知許多影響生物物理參數的因子都會改 變，如細胞骨架的重整、細胞膜上與間質結合分子的重分配，以及細胞膜皺褶程 度改變等。在眾多細胞骨架的組成中，肌動蛋白絲(actin filament，F-actin) 在骨 分化早期扮演調控細胞骨架改變的樞紐角色。 吾人在先前的研究中發現，乙四型胸腺素(T4) 這個在細胞內將單分子肌動蛋白 (G-actin) 隔離起來的小分子胜肽，可以藉由改變生物物理效應影響間葉幹細胞 的分化，而不直接調控命運決定之轉錄因子。實驗結果顯示乙四型胸腺素藉由抑 制肌動蛋白絲的合成而抑制間葉幹細胞之成骨細胞分化; 反之，促使細胞表現脂 肪細胞間附著因子(adipocyte adhesion molecule)而有利於脂肪細胞分化。這些結 果都暗示著間葉幹細胞的分化傾向可以由生物物理效應來決定。然而肌動蛋白絲 的改變如何調控命運決定轉錄因子機轉還不清楚，所以本實驗的研究目的旨在探 討因肌動蛋白絲改變引起的細胞骨架重整導致間葉幹細胞成骨細胞分化及脂肪 細胞分化傾向改變的機轉。 本實驗中，將使用肌動蛋白絲的加強劑及抑制劑來探討肌動蛋白絲改變引起的細 胞骨架重整導致間葉幹細胞分化改變的機轉。不同分化時間點，細胞內的 F-actin/G-actin 比值也會一倂被記錄。BMP 路徑、WNT 路徑、ERK 路徑、 Rho/ROCK 路徑及MMP 路徑的訊息傳導都將被詳細探討。 由於目前仍無法在活細胞即時量測細胞骨架改變時所造成之作用力的變化，因此 本實驗除傳統分子生物及生化分析外，在細胞引導分化的同時，亦將利用表面電 漿共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)系統即時記錄並追蹤肌動蛋白絲的改 變對細胞膜之光學性質(refractive index)所造成的影響。表面電漿共振是一種非侵 襲性、具高敏感度、省時又不需螢光染色即可即時紀錄生物影像及訊號的一種光 電技術，在本實驗中，將使用自行開發改良，比傳統敏感度及解析度更高的SPR 來記錄細胞骨架重整所導致細胞膜及周邊細胞質物理性質的改變對間葉幹細胞 在分化時的影響。 本研究之重要性在於，除探討生物物理效應對間葉幹細胞分化之影響機轉外，SPR 技術平台的應用將可更進一步以非侵入性之方式，即時評估物理刺激或生物刺激 是否造成細胞骨架的改變而改變間葉幹細胞的分化傾向。此外，間葉幹細胞之細 胞膜之refractive index 在分化時的變化亦可被建立。本研究原創性高，類似研究 尚未見於文獻，相信本研究結果能夠更加增進對間葉幹細胞分化調控之了解。