Neural stem cell (NSC) therapy has drawn a great attention in the regenerative medicine due to their therapeutic potential for neurodegenerative diseases. Previous studies have focused on modulating neuronal differentiation of NSCs to control NSCs fate decision via biophysical stimulation from nanotopography. Recently, it has been found that stem cells can remember their past physical cues and these can be harnessed to dose cells with physical cues. However, conventional approaches s to modulate differentiation of NSCs with nanotopographic patterns could not access the effect of mechanical dosing and mechanical memory on NSCs due to their technical limitations. In our study, we developed a dynamically tunable nanowrinkle platform to investigate the effect of mechanical doing and mechanical memory on the differentiation of human neural stem cells (hNSCs). First, nanowrinkle patterns effectively enhance differentiation of hNSCs compared to flat substrates. Because of nanowrinkle effects on the morphology of hNSCs, the length of the neurite of hNSCs on nanowrinkle patterns was significantly elongated and aligned to each other, which indicates enhanced neurogenesis of hNSCs. In addition, we found that neuronal gene expression levels (TUJ1, MAP2, and Nestin) were increased in hNSCs mechanically dosed more than 5 days and they retained their morphology even when nanowrinkle patterns were disappeared. We conclude that neural stem cells possess mechanical memory with their morphology and neuronal gene expression levels that hNSCs store information about their past physical cues influencing overall hNSCs fate.
신경 줄기세포치료는 퇴행성 신경 질환의 치료 분야에 새로운 치료법으로 큰 주목을 받고 있다. 신경 줄기세포 분화를 조절하기 위한 기존의 연구들은 나노구조를 이용해 생물 물리학적 자극을 신경 줄기세포에 주어 분화를 조절하였다. 최근 줄기세포는 과의 분화를 제어하기 위해 사용된 물리적, 기계적 자극을 기억하고 그것이 줄기세포의 전체적인 분화양상에 영향을 미친다는 연구가 보고되었다. 그러나 신경 줄기세포의 정적인 나노 지형 패턴을 이용해 분화를 조절하는 기존의 접근 방식은 기술적 한계 때문에 기계적 투여 및 기계적 기억 효과를 측정하는데 어려운 점이 있었다. 우리의 연구는 신경 줄기세포의 분화에 물리적, 기계적 자극에 대한 노출의 양과 기계적 기억을 동적으로 물리적 자극을 조절 가능한 나노 주름 구조를 사용해 확인하였다. 나노 주름 패턴은 평평한 기판에 비교해 신경 줄기세포의 분화를 효과적으로 강화한다. 나노 주름 패턴 위에 노출이 된 경우 신경 줄기세포의 신경돌기의 길이가 크게 길어지고 나노 주름 방향에 따라 정렬을 하게 된다 우리는 5 일 동안 물리적 자극에 노출이 된 신경 세포의 유전자 발현 수준 (TUJ1, MAP 2 및 Nestin)이 증가하는 것을 확인하였고 신경줄기세포의 분화가 잘 진행되는 것을 확인하였다. 더 나아가 신경 줄기세포의 기계적 기억력의 유무를 확인하기 위해 나노 주름에 일정 시간 노출한 뒤 구조를 제거하였을 때도 그전과 비슷한 형태학적 그리고 유전적인 특징을 유지하는지 검사 하였다. 나노 주름 패턴이 사라진 경우에도 그 형태를 유지하는 것을 관찰할 수 있었다. 따라서, 우리는 신경 줄기세포가 전체 신경 줄기세포 분화에 영향을 미치는 과거의 물리적 신호 정보를 형태학 및 신경 세포의 유전자 발현 수준을 통해 기계적 기억을 가지고 있는 것을 동적인 나노 주름 플랫폼을 이용하여 확인하였다.
