干细胞-水凝胶构建物的仿生低温保存——来自卵母细胞的启迪

干细胞的核壳结构水凝胶微封装,因其具有理想的免疫隔离和3D培养的微环境,而在组织工程、再生医学和细胞治疗领域具有极其重要的广泛应用。通过低温保存实现这类细胞-生物材料构建物的长期储存,可极大满足其广泛运输和临床即时可用性的需求。然而,绝大多数干细胞长期保存相关研究仅仅针对分散的细胞或者不具有核壳结构的构建物而开展。

受到自然界卵母细胞生理学微结构及其自我保护机制的启发——卵母细胞透明带可有效降低外界非生理条件对卵母细胞可能带来的应激损伤,中国科学技术大学赵刚博士和俄亥俄州立大学何晓明博士课题组使用核壳结构微封装实现了干细胞-水凝胶构建物的高效低温保存。充分利用水凝胶外壳对构建物整体的保护功能以及水凝胶本身对冰晶成核及其生长的抑制作用,研究人员仅仅使用超低浓度渗透性低温保护剂(2 mol L-1, 仅有一般快速降温低温保存所用低温保护剂浓度的1/4~1/3),结合低浓度的非渗透性糖类低温保护剂,便实现了细胞和水凝胶构建物的双重低温保护。封装在核壳结构微胶囊中的干细胞在经受降温过程中肉眼可见的冰晶形成,以及复温过程中明显的反玻璃化/再结晶之后,仍具有足够高的存活率和完整的生物学功能。而复温过程中的反玻璃化和再结晶长期以来被公认为会对细胞造成致命损伤,本文打破了这一共识,主要是由于核壳结构的外壳起到了足够的仿生保护作用。

使用核壳结构水凝胶微封装,研究人员实现了干细胞和干细胞-水凝胶构建物的双重保护,可为临床医学和基础研究提供“即时可用”的干细胞-生物材料构建物,极大方便了细胞3D培养、3D生物打印、干细胞分化的精确调控、细胞递送和细胞治疗等相关领域的研究。相关论文发表在Advanced Healthcare Materials (DOI: 10.1002/adhm.201700988)上,并于当期Inside Front Cover做简要介绍。