細胞重編程技術可用于獲得或研究臨床所需的目的細胞類型，在再生醫學、疾病模型構建和藥物篩選中具有廣泛的應用。相較于經典的多潛能干細胞（iPSCs）重編程技術，直接重編程通過規避干細胞耗時的分化過程，能夠直接將一種成體細胞轉化為另一種所需的功能細胞類型，例如將成纖維細胞轉化為誘導神經元（iN）細胞。然而，這些轉換過程的低效率為生物醫學應用帶來了障礙。細胞直接重編程的一個關鍵步驟是克服異染色質的表觀遺傳屏障并打開內源基因進行細胞類型轉換。

過往研究主要集中在轉錄因子和生化因子在細胞表型轉換中的作用，但對生物物理因子的影響知之甚少。細胞在不同時間尺度上（從幾秒到幾天）經歷機械刺激，可能啟動力化學信號傳導、細胞骨架重組和染色質重構。

據麥姆斯咨詢報道，近期，加州大學洛杉磯分校生物工程系李松教授課題組（第一作者為宋陽）在Nature Materials期刊發表了題為“Transient nuclear deformation primes epigenetic state and promotes cell reprogramming”的研究論文。該研究報道了懸浮細胞在通過一個狹窄的微流控通道時細胞核會經歷一次快速的擠壓，這一可逆的細胞核形變過程可以顯著降低組蛋白H3K9和DNA的甲基化水平，繼而提高染色質可及性，最終促進成纖維細胞向神經元細胞的重編程效率。

為了直接確定核變形對染色質重塑的影響，研究人員研究了通過擠壓懸浮細胞是否以及如何調節表觀遺傳狀態和細胞重編程，并探索了這種力學刺激方式向工業運用轉化的可行性方案。

在這項研究中，李松教授團隊通過微制造技術構建了一套具有寬度為7μm的微通道陣列的微流控器件，并讓轉染了神經元相關轉錄因子（Brn2、Ascl1、Mytl1）的懸浮成纖維細胞在20μL/min的流速下通過微通道。研究發現，細胞核受到擠壓的成纖維細胞其向神經元細胞直接重編程的效率與對照組相比提高了8倍。

圖1 細胞核受到擠壓后，直接重編程效率顯著升高

通過對細胞表觀遺傳狀態的探索發現，細胞受到瞬時擠壓后的24小時內，組蛋白H3K9和DNA的甲基化水平均顯著性下降。同時，力學誘導的H3K9me3和5m-C下降與通過抑制劑聯合處理細胞24小時后的下降水平基本一致。此外，通過與加州大學圣地亞哥分校（UCSD）王英曉教授合作，借助活細胞FRET技術實時觀測H3K9me3水平發現，在成纖維細胞進入微通道1分鐘內，H3K9me3水平下降顯著。

圖2 細胞核受擠壓后組蛋白H3K9和DNA甲基化降低

為進一步推進上述微流控器件的實際應用，李松教授團隊設計了一款高通量的微流控芯片，其在短時間內可以實現百萬數量級細胞的力學刺激。此外，這一微流控器件不僅可以促進成纖維細胞向神經元細胞重編程，也可以并不限于促進成纖維細胞向多潛能干細胞（iPSCs）重編程，以及巨噬細胞向神經元細胞重編程。

圖3 高通量芯片設計以及多種類型重編程實踐

該研究揭示了細胞核的力學變形會影響染色質組織形式并誘導更開放的染色質結構，可以廣泛運用于基因編輯領域。