第三代水凝膠培養(yǎng)3D細(xì)胞類(lèi)組織的應(yīng)用

越來(lái)越多的研究人員意識(shí)到，3D細(xì)胞培養(yǎng)模型比2D更接近體內(nèi)微環(huán)境，能提供更真實(shí)可靠的信息，是基礎(chǔ)研究、藥物篩選和再生醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域細(xì)胞功能研究的理想選擇。 伴隨著研究的普及和深入，用于3D培養(yǎng)的基質(zhì)水凝膠技術(shù)與時(shí)俱進(jìn)地演變和更迭著，將基礎(chǔ)研究推向更有實(shí)用價(jià)值的臨床應(yīng)用和藥物研發(fā)的轉(zhuǎn)化。
 
第一代3D細(xì)胞培養(yǎng)基質(zhì)水凝膠主要有鼠尾膠或從小鼠肉瘤細(xì)胞基底膜提取的ECM，主要成分是膠原、層粘連蛋白以及生長(zhǎng)因子，能很好的固定細(xì)胞，模擬體內(nèi)生長(zhǎng)環(huán)境。動(dòng)物來(lái)源的基質(zhì)膠取得了廣泛的成功應(yīng)用，是目前基礎(chǔ)研究中普遍使用的技術(shù)方法。但也存在諸多問(wèn)題，如含有動(dòng)物來(lái)源的成分、原料供應(yīng)不穩(wěn)定、批次間差異較大，特別是蛋白和生長(zhǎng)因子的種類(lèi)和數(shù)量變化無(wú)法控制，對(duì)細(xì)胞或類(lèi)組織生長(zhǎng)有很大的影響，在此基礎(chǔ)上建立的3D細(xì)胞模型也有可能不穩(wěn)定。膠原形成凝膠后不可逆，細(xì)胞無(wú)法從凝膠中分離出來(lái)。除此之外，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，需要保持基質(zhì)膠及操作耗材的低溫，使用并非友好，難以高通量操作。

第二代水凝膠主要是人工合成多肽支架，在溫度或pH/離子強(qiáng)度變化下高度交聯(lián)，形成三維結(jié)構(gòu)，支持細(xì)胞和類(lèi)組織生長(zhǎng)。這類(lèi)基質(zhì)膠已解決了成分可控和無(wú)異源物質(zhì)污染問(wèn)題，批次穩(wěn)定，取得了進(jìn)步。然而，多肽運(yùn)輸保存必須維持在-20度以下，避免反復(fù)凍融。需要操作者嚴(yán)格遵守操作步驟，注意環(huán)境條件。
 
近年來(lái)，水凝膠在轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)方面的研究，很好地將基礎(chǔ)科研推向臨床應(yīng)用。近期不僅有國(guó)外科學(xué)家在《Sicence》上發(fā)表的利用水凝膠作為生物墨水克服3D打印器官的一大障礙，打印出模擬肺功能的氣囊，體外實(shí)現(xiàn)向周?chē)�血管輸送氧氣的功能。且有�?guó)內(nèi)科學(xué)家研發(fā)快速止血生物水凝膠，用于數(shù)秒內(nèi)止住大動(dòng)脈損傷和心臟穿透?jìng)�大出血的仿生材料�?  
那么我們看看，是Hydrogel的哪些特質(zhì)使得這么多科學(xué)家越來(lái)越青睞于開(kāi)發(fā)水凝膠的應(yīng)用呢？
 
以芬蘭UPM BioMedicals的科學(xué)家研發(fā)出3D細(xì)胞培養(yǎng)水凝膠GrowDex為例，其所具備的特性，代表了這一類(lèi)水凝膠的優(yōu)勢(shì)。
 
1. 無(wú)動(dòng)物源，批間穩(wěn)定
GrowDex是從純植物樺樹(shù)中提純的一種纖維素水凝膠，成分單一明確，不包含異源物質(zhì)，無(wú)人源或動(dòng)物源成份，不含內(nèi)毒素，pH值中性。因此，建立的3D培養(yǎng)模型可重復(fù)性高，培養(yǎng)條件高度可控，科學(xué)家可自行組合優(yōu)化所需生長(zhǎng)因子和輔助試劑。組間一致性好，可用于高通量藥物篩選和藥效評(píng)估。生產(chǎn)工藝明確，采用GMP標(biāo)準(zhǔn)，可提供溯源文件，支持未來(lái)臨床申報(bào)。
 
2. 生物兼容，孔徑可調(diào)
GrowDex的納米纖維網(wǎng)結(jié)構(gòu)不僅允許營(yíng)養(yǎng)素和氧氣等小分子物質(zhì)輕松擴(kuò)散，且韌度（孔徑）可調(diào)，便于優(yōu)化支持各種類(lèi)型細(xì)胞培養(yǎng)的3D微環(huán)境。200nm細(xì)小纖維素的交聯(lián)既為每種細(xì)胞的培養(yǎng)提供了個(gè)性化的培養(yǎng)空間，又處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，實(shí)時(shí)適應(yīng)細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)和細(xì)胞之間的相互交流。目前已成功用于上百種細(xì)胞系、原代細(xì)胞、共培養(yǎng)體系、活檢組織、干細(xì)胞的培養(yǎng)和后續(xù)研究。
3. 無(wú)需交聯(lián)、使用簡(jiǎn)單
GrowDex水凝膠的穩(wěn)定性強(qiáng)，可在室溫保存、運(yùn)輸和使用，免去了嚴(yán)格的溫度控制要求和昂貴的冷鏈運(yùn)輸。預(yù)置在注射器中，設(shè)計(jì)友好，是一種可直接使用的水凝膠。使用前無(wú)需交聯(lián)(cross- linking)、無(wú)需凝膠化(gelation)、無(wú)需超聲(sonication)或任何其他步驟。只需要推出水凝膠，混合培養(yǎng)基和細(xì)胞，鋪板和培養(yǎng)即可。
4. 一步回收、維持功能 
當(dāng)細(xì)胞或類(lèi)組織培養(yǎng)一段時(shí)間后，如需回收細(xì)胞，只需要在樣品中加入GrowDase纖維素酶，GrowDex即可降解成溶液，細(xì)胞或組織又重懸于培養(yǎng)基中�；厥斋@得的3D微球和組織，既維持了特定的形態(tài)和功能（App note 002），還可用于下游的分析和檢測(cè)，如測(cè)序和切片染色（App note 018）。  
5.高通量操作、實(shí)現(xiàn)3D篩選
3D細(xì)胞模型逐漸被建立起來(lái)作為動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的替代，特別是用于藥效研究、毒理評(píng)價(jià)，往往一次實(shí)驗(yàn)的通量比較高，而以往的基質(zhì)膠系統(tǒng)在使用自動(dòng)化工作站換液時(shí)，對(duì)液流速度和沖擊力非常敏感，膠體或交聯(lián)結(jié)構(gòu)溶液崩裂，或因?qū)�溫度敏感，常常在高通量操作中粘附或堵住槍頭。GrowDex是一種浸沒(méi)在網(wǎng)狀支架結(jié)構(gòu)，用戶(hù)合理設(shè)置操作條件，已經(jīng)驗(yàn)證GrowDex可在多種自動(dòng)化系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)高通量接種、換液。（視頻）
 
6. 推動(dòng)基礎(chǔ)向臨床應(yīng)用的轉(zhuǎn)化
除了上述所提到的無(wú)動(dòng)物源成分以及采用GMP標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)這兩大特點(diǎn)使得Growdex水凝膠可在基礎(chǔ)研究向臨床應(yīng)用的轉(zhuǎn)化過(guò)程中大放異彩外，更讓人驚喜的是，采用此水凝膠作為原料的一款用于促進(jìn)皮膚移植后傷口愈合的產(chǎn)品已經(jīng)成功獲得歐洲CE認(rèn)證（相當(dāng)于美國(guó)的FDA認(rèn)證），被批準(zhǔn)用于臨床治療。（文獻(xiàn)Hakkarainen T. et al. Nanofibrillar cellulose wound dressing in skin graft donor site treatment. Journal of Controlled Release 2016; 16, 292-301.

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