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背景:由于创伤,疾病或先天性缺陷造成的骨损伤是医学上的一大问题。自体骨骨移植(Autogenous iliac crest bone graft,ICBG)是治疗骨损伤的首要选择。然而,由于移植部位的慢性疼痛以及移植细胞存活率低等原因,仍需要寻求替代方案。细胞疗法是ICBG的最有希望的替代方案之一,间充质干细胞(Mesenchymal stem cells,MSCs)是细胞疗法的主要的候选种子细胞。MSCs的增殖能力强,多谱系分化的潜力,促血管生成,免疫调节和抗炎作用以及伦理学争议少等优点,对于运用细胞的组织修复和再生疗法具有巨大潜力。脐带间充质干细胞(Umbilical cord mesenchymal stem cells,UC-MSCs)的取材方便、含量丰富更是MSCs中的理想选择。基质硬度是细胞对外界机械力的一种反应,在细胞的功能和行为上发挥着重要的作用。不同类型的组织的硬度不同,基质硬度一定程度上决定了 MSCs的分化方向。机械敏感性阳离子通道Piezo1是一类被机械力激活引起阳离子流通的离子通道,作为机械转换器在响应基质硬度和调节干细胞分化方面都发挥着重要作用,研究发现基质硬度可以通过调节Piezol影响分化方向。Hippo-YAP/TAZ也是一种机械敏感通路,也参与感知基质硬度和调节干细胞分化。方法:从华通胶中采用组织块培养法提取培养人脐带间充质干细胞(human Umbilical cord mesenchymal stem cells,hUC-MSCs),流式细胞术进行表面标志物鉴定,成骨成脂诱导分化实验检测多向分化潜能。将丙烯酰胺与双丙烯酰胺按照一定比例聚合交联,制备软、硬两种硬度的聚丙烯酰胺水凝胶来模拟细胞外基质硬度。将提取的hUC-MSCs分别在软、硬基质上培养1天、7天、14天,运用qPCR检测成骨标志物RUNX2、ALP和COLI,成脂标志物PPARγ和cEBPα,同时通过油红O染色鉴定脂滴、茜素红染色鉴定钙盐沉积;免疫荧光和Western Blot检测YAP和p-YAP的定位与表达;检测Piezo1蛋白的表达差异;钙离子荧光探针检测Ca2+水平。慢病毒感染构建Piezo1敲低模型和使用Piezo1激活剂Yoda1后验证敲低和激活的效率。激活Piezo1后,检测分化标志物的表达变化和YAP与p-YAP的表达变化。结果:实验制备了 1-4 kPa、62-68 kPa两种不同硬度的水凝胶用来模拟不同的细胞外基质硬度;分离得到了大量hUC-MSCs,多向分化潜能实验和表面标志物鉴定验证得到的是具有MSCs特性的hUC-MSCs。观察发现不同硬度上的细胞形态明显不同,软基质上细胞多呈椭圆形类似脂肪细胞,硬基质的细胞多为多角形类似成骨细胞,细胞形态更舒展。qPCR显示,与软基质对比,在硬基质上成骨标志物RUNX2、ALP高表达,但COLI低表达,成脂标志物PPARγ、cEBPα低表达,具有统计学差异P<0.05;软基质上PPARγ、cEBPα和COLI表达高于硬基质,RUNX2、ALP低表达,且P<0.05;油红O染色显示软基质上细胞在7天就有脂滴出现,提示有脂肪细胞生成,茜素红染色显示无钙盐沉积。不同硬度组的Piezo1表达有差异,硬基质组的Piezo1蛋白表达高于软基质组,具有统计学差异P<0.05。免疫荧光显示Piezo1表达随时间增强,并且硬基质组在6h时开始高于软基质组;实验发现Ca2+浓度在硬基质组高于软基质组;p-YAP蛋白在软基质组高表达,而硬基质的YAP高表达,共聚焦结果显示在硬基质组YAP易位到细胞核更明显。激活剂Yoda1组和慢病毒转染敲低Piezo1的Western blot结果显示shPiezo1细胞的Piezo1的蛋白表达明显降低(P<0.05),Yoda1组的Piezo1的蛋白表达没有显著差异。Yoda1组成骨标志物ALP增加,成脂标志物PPARγ降低,具有统计学差异P<0.05。Yoda1组的YAP蛋白表达升高、p-YAP蛋白表达降低,而shPiezo1组的p-YAP表达升高。结论:hUC-MSCs在硬基质62-68kPa上趋向成骨分化,在软基质1-4 kPa上趋向脂肪分化。在基质硬度调控hUC-MSCs的分化过程中,Piezo1发挥重要作用,YAP是Piezo1的下游信号分子,Ca2+可能参与其中。