原子間葉系幹細胞の初期アポトーシス時のナノ形態学的・機械的再構成を原子間力顕微鏡で検出した

Nanomorphological and mechanical reconstruction of mesenchymal stem cells during early apoptosis detected by atomic force microscopy.

• Xuelian Su
• Haijing Zhou
• Guangjie Bao
• Jizeng Wang
• Lin Liu
• Qian Zheng
• Manli Guo
• Jinting Zhang

抄録

幹細胞のアポトーシスは、胚発生、組織再生、修復、老化、疾患の病態生理などに広く存在しています。幹細胞のアポトーシスの分子機構は広く研究されてきました。しかし、バイオメカニクスやナノモルフォロジーの変化についてはほとんど研究されていませんでした。そこで、本研究では、骨髄間葉系幹細胞（BMSC）のアポトーシスモデルを構築し、細胞の力学的特性やナノモルフォロジーの再構成を詳細に検討した。原子間力顕微鏡(AFM)、走査型電子顕微鏡(SEM)、レーザー走査共焦点顕微鏡(LSCM)、フローサイトメトリー、細胞計数装置(Cell Counting Kit-8)を用いて、細胞弾性率、形状、ナノモルフォロジー、細胞表面の超微細構造、生物学的生存率、初期アポトーシスシグナル(ホスファチジルセリン、PS)を評価した。その結果、細胞弾性率と体積は有意に減少したが、細胞表面の粗さは明らかに増加した。さらに、これらの変化は、生物学的アポトーシスシグナルPSの暴露に先行していた。これらの知見は、細胞の機械的損傷がBMSCのアポトーシスと関連していることを示唆しており、力学とナノモルフォロジーの変化は、アポトーシス時の細胞生存能力の変化を検出するための敏感な指標となり得る。これらの結果は、細胞力学の観点からアポトーシスの理解を深めることに貢献しています。

Stem cell apoptosis exists widely in embryonic development, tissue regeneration, repair, aging and pathophysiology of disease. The molecular mechanism of stem cell apoptosis has been extensively investigated. However, alterations in biomechanics and nanomorphology have rarely been studied. Therefore, an apoptosis model was established for bone marrow mesenchymal stem cells (BMSCs) and the reconstruction of the mechanical properties and nanomorphology of the cells were investigated in detail. Atomic force microscopy (AFM), scanning electron microscopy (SEM), laser scanning confocal microscopy (LSCM), flow cytometry and Cell Counting Kit-8 analysis were applied to assess the cellular elasticity modulus, geometry, nanomorphology, cell surface ultrastructure, biological viability and early apoptotic signals (phosphatidylserine, PS). The results indicated that the cellular elastic modulus and volume significantly decreased, whereas the cell surface roughness obviously increased during the first 3 h of cytochalasin B (CB) treatment. Moreover, these alterations preceded the exposure of biological apoptotic signal PS. These findings suggested that cellular mechanical damage is connected with the apoptosis of BMSCs, and the alterations in mechanics and nanomorphology may be a sensitive index to detect alterations in cell viability during apoptosis. The results contribute to further understanding of apoptosis from the perspective of cell mechanics.

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