Small:干细胞培养与组织工程一体化水凝胶微球系统

近年来,间充质干细胞由于具有自我更新、多向分化和免疫调节等多种优势,被广泛应用于疾病治疗和组织再生。高效的大规模扩增和移植是实现细胞治疗临床应用的前提与基础。目前,二维细胞培养皿是最常用的细胞体外培养系统。但这一系统存在着空间利用率低,培养所得细胞无法满足临床需求;培养环境与体内环境差异大,导致细胞性能丢失;细胞消化后直接体内注射,导致细胞大量死亡,影响治疗效果等不足。在这一方面,微球由于比表面积大、体积小、可注射等优势,作为一种细胞培养工具表现出极大的优势。与常用的固态微球(如商业化的Cytodex和Cultispher系列微球)相比,水凝胶微球由天然或合成的大分子组成,含水量高,与细胞外基质环境更接近,具有物化性能的多样性和可控性,更容易实现力学仿生和成分仿生。目前,能够同时满足细胞培养,包括细胞黏附、增殖、传代、消化、冻存与运输和组织工程的水凝胶微球仍有待于被开发。

浙江省组织工程与再生医学技术重点实验室欧阳宏伟课题组针对这一问题,通过数字光处理3D打印技术,利用甲基丙烯酸酐化明胶(GelMA),开发了一款可实现干细胞培养和组织工程一体化应用的水凝胶微球。相关结果发表在Small杂志上(DOI:10.1002/smll.201906539)

3D打印能够对多组分和空间结构进行精确控制,实现微组织结构的高效重建。GelMA不但具有良好的生物相容性和生物降解性,适用于细胞培养和组织工程,而且可通过紫外光交联,固化速度快,满足3D打印的需求。该研究团队将两者结合,利用自制的3D打印机,实现了GelMA水凝胶微球的高效、精控、规模化批量制备。微球制备过程简便自动化,微球直径均一可控,所得微球可直接使用,无需加工分离处理。与商业化Cytodex-1微球相比,GelMA微球的力学强度低,与脂肪组织更接近,且GelMA微球表面粗糙,有利于细胞黏附,这使得人源脂肪间充质干细胞在该水凝胶微球上的黏附率、增殖效率和培养后的三系分化能力都有显著性提高。同时,他们针对于这一培养体系,建立了简单高效的细胞培养操作:细胞在微球上长满之后,只需向培养系统种加入新的微球,细胞会转移到新的微球上,进行进一步扩增;为了细胞收获,微球可通过胶原酶降解,降解过程在五分钟内完成,且消化过程对细胞活性不会造成影响;为了方便保存和运输,细胞可与微球一起冻存,复苏后,细胞活性和增殖性能得以保持。除此,黏附在微球上的细胞可通过原位诱导,向骨和软骨方向分化。培养过程种,微球团聚,形成微组织,且分别表现出骨和软骨的特征。体外的组织重构表明该细胞-水凝胶微球系统具有体内组织修复与再生的潜能。

同时,本实验室还开发了具有快速光固化成型性能和不同力学性能的胶原、丝素蛋白、透明质酸等系列可用于生物打印和细胞3D培养的胶体材料,可用于各类软硬组织打印的研究。