Stem Cell Mechanosensation on Gelatin Methacryloyl (GelMA) Stiffness Gradient Hydrogels

自愈水凝胶 明胶 刚度 生物物理学 生物医学工程 化学 机械反应 组织工程 干细胞 材料科学 细胞生物学 生物化学 复合材料 高分子化学 生物 离子通道 医学 受体
作者
Claire Kim,Jennifer L. Young,Andrew W. Holle,Kwanghee Jeong,Luke G. Major,Ji Hoon Jeong,Zachary M. Aman,Dong‐Wook Han,Yongsung Hwang,Joachim P. Spatz,Yu Suk Choi
出处
期刊:Annals of Biomedical Engineering [Springer Science+Business Media]
卷期号:48 (2): 893-902 被引量:125
标识
DOI:10.1007/s10439-019-02428-5
摘要

Stiffness gradient hydrogels are a useful platform for studying mechanical interactions between cells and their surrounding environments. Here, we developed linear stiffness gradient hydrogels by controlling the polymerization of gelatin methacryloyl (GelMA) via differential UV penetration with a gradient photomask. Based on previous observations, a stiffness gradient GelMA hydrogel was created ranging from ~ 4 to 13 kPa over 15 mm (0.68 kPa/mm), covering the range of physiological tissue stiffness from fat to muscle, thereby allowing us to study stem cell mechanosensation and differentiation. Adipose-derived stem cells on these gradient hydrogels showed no durotaxis, which allowed for the screening of mechanomarker expression without confounding directed migration effects. In terms of morphological markers, the cell aspect ratio showed a clear positive correlation to the underlying substrate stiffness, while no significant correlation was found in cell size, nuclear size, or nuclear aspect ratio. Conversely, expression of mechanomarkers (i.e., Lamin A, YAP, and MRTFa) all showed a highly significant correlation to stiffness, which could be disrupted via inhibition of non-muscle myosin or Rho/ROCK signalling. Furthermore, we showed that cells plated on stiffer regions became stiffer themselves, and that stem cells showed stiffness-dependent differentiation to fat or muscle as has been previously reported in the literature.
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