間充質幹細胞（MSCs）具有多能性，能夠分化成多種類別的細胞，其中成骨細胞是骨骼組織再生的重要細胞類別。細胞外基質（ECM）是細胞微環境的重要組成部份，其機械特性，如剛度，對MSCs的成骨分化起著關鍵作用。
1. 基質剛度對 MSCs 行為的影響
研究表明，基質剛度對MSCs的行為產生多方面的影響，包括：
細胞形態：在剛度較高的基質上，MSCs的形態更接近成骨細胞，表現為扁平、多角形和偽足狀。
增殖：基質剛度對MSCs的增殖能力影響較小，但會影響其增殖的速率。
分化：基質剛度是影響MSCs成骨分化的關鍵因素。剛度較高的基質可以促進MSCs向成骨細胞分化，而剛度較低的基質則促進脂肪細胞分化。
成骨功能：在剛度較高的基質上，MSCs的成骨功能更強，例如礦化沈積和堿性磷酸酶（ALP）活性增加。
2. 基質剛度調控成骨分化的機制
基質剛度調控成骨分化的機制涉及多個訊號通路和轉錄因子：
Runx2：Runx2是成骨分化過程中的關鍵轉錄因子，它調控成骨細胞的基因表現，包括ALP、骨鈣素和骨橋蛋白。剛度較高的基質可以促進Runx2的表達，從而促進成骨分化。
β-連環蛋白：β-連環蛋白是Wnt訊號通路的重要組分，它參與調控成骨細胞分化和脂肪細胞分化。剛度較高的基質可以促進β-連環蛋白的表達，從而抑制脂肪細胞分化，促進成骨分化。
Smad：Smad是BMP訊號通路的重要組分，它參與調控成骨細胞分化和脂肪細胞分化。剛度較高的基質可以促進Smad的表達，從而促進成骨分化。
Hippo通路：Hippo通路是調控細胞命運的重要訊號通路，它參與調控成骨細胞分化和脂肪細胞分化。剛度較高的基質可以促進Hippo通路中YAP/TAZ蛋白的核轉位，從而促進成骨分化。
Rho/Rho激酶（ROCK）訊號通路：Rho/Rock訊號通路參與調控細胞骨架的重組和細胞內力的產生。剛度較高的基質可以啟用Rho/Rock訊號通路，從而促進成骨分化。
整合素：整合素是細胞與ECM之間的重要粘附分子，它參與調控細胞的行為和分化。剛度較高的基質可以促進整合素的表達和活性，從而促進成骨分化。
3. 炎癥對基質剛度調控成骨分化的影響
炎癥是影響骨組織再生的重要因素。炎癥可以抑制基質剛度對成骨分化的促進作用。例如，炎癥因子IL-1β可以啟用p38訊號通路，從而抑制成骨分化。
結論
基質剛度是影響MSCs成骨分化的關鍵因素。剛度較高的基質可以促進MSCs向成骨細胞分化，而剛度較低的基質則促進脂肪細胞分化。基質剛度調控成骨分化的機制涉及多個訊號通路和轉錄因子，包括Runx2、β-連環蛋白、Smad、Hippo通路、Rho/Rock訊號通路和整合素。炎癥可以抑制基質剛度對成骨分化的促進作用。未來，需要進一步研究基質剛度調控成骨分化的機制，並開發新的治療方法，以促進骨組織再生。
參考文獻
El-Rashidy AA, et.al. Effect of Polymeric Matrix Stiffness on Osteogenic Differentiation of Mesenchymal Stem/Progenitor Cells: Concise Review. Polymers (Basel). 2021 Aug 31;13(17):2950.
