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        3D打印神經干細胞與內皮細胞共球體構建神經血管初探
        2020-04-21  來源:捷諾飛  作者:捷諾飛
        【導讀】

        神經干細胞(NSC)和內皮細胞(EC)之間的相互作用對于體內中樞神經系統(CNS)的神經血管網絡的建立和神經再生至關重要。但是,用于研究NSC和EC在三維(3D)環境中相互作用的平臺仍然很少。


        最近,國立臺灣大學的徐善慧團隊,在Materials Science & Engineering C發表了題為“Angiogenic potential of co-spheroids of neural stem cells and endothelial cells in injectable gelatin-based hydrogel”的文章,研究團隊首先基于殼聚糖(CS)基底共同培養NSCs和ECs,快速自組裝成NSC/EC共球體。通過基因和蛋白表達分析,NSC/EC共球體中的NSCs比利用常規培養皿基底二維(2D)培養的NSCs表現出更大的分化潛力。隨后將共球體封裝在CS或者明膠(Gelatin)水凝膠中,為共球體提供一個3D細胞外基質(ECM)類環境,以長期深入探究細胞-細胞相互作用。結果顯示,在成纖維細胞生長因子(FGF2)的誘導下,共球體在Gelatin水凝膠環境中展現出更好的細胞活力,在其表面形成了管狀類結構,這表明與NSCs共培養的ECs,在含有FGF2的Gelatin水凝膠環境下可增強其血管生成潛能。最后,采用捷諾飛研發的Bio-Architect® WS 生物3D打印機,進一步展現出由NSC/EC共球體和Gelatin水凝膠組成的生物墨水具有可注射性和可打印性,這為將來利用生物3D打印技術直接打印NSC/EC共球體構建仿生的神經血管結構提供了可能。


        神經干細胞(NSCs)移植已成為治療神經退行性疾病最有希望的策略之一。因此,研究支持NSCs生長的自然環境將有助于今后的疾病治療。一方面,NSCs和ECs之間的相互作用對于CNS的神經血管網絡的建立和神經再生至關重要。ECs分泌生長因子支持NSCs的增殖、存活和分化,分泌黏附分子維持神經血管網絡結構,且ECs與NSCs的直接相互作用影響著NSCs自我更新能力和最終分化結果。同時,通過與NSCs共同培養可觸發ECs的血管生成,形成的血管網絡負責CNS中的營養、氧氣和代謝廢物的運輸。另一方面,細胞外基質(ECM)環境對于NSCs和ECs的長期生長和細胞-細胞相互作用具有重要影響。與傳統培養板/瓶(TCPS)相比,在生物材料基質中培養的細胞表現出更好的細胞活力或明顯的細胞特性。CS和Gelatin水凝膠作為類ECM環境可支持NSC和EC細胞長期生長并誘導血管生成。因此,研究團隊采用生物材料來共培養NSCs和ECs,以增強細胞-細胞相互作用和細胞-基質相互作用,并結合生物3D打印技術最終生成充滿神經血管細胞的3D構建體。


        臺灣大學徐善慧團隊首先分別在殼聚糖(CS)基底和透明質酸修飾的殼聚糖(CS-HA)基底上共培養NSCs和ECs,以此探究NSCs和ECs能否自組裝成NSC/EC共球體。觀察發現,對比于在CS基底上共培養的NSCs和ECs,在CS-HA基底上共培養的NSCs和ECs能迅速組裝成更大、更緊密和更完整的NSC/EC共球體(圖1A和B)。隨后,該團隊分析了與NSCs干性和分化潛能相關的特異性蛋白的基因轉錄表達水平,以反映NSCs和ECs的細胞-細胞相互作用。觀察發現,對比于在TCPS基底上與ECs共培養的NSCs,在CS-HA基底上與ECs共培養的NSCs表現出干性降低和分化增強的特征(圖1C),這表明NSCs與ECs在CS-HA基底下共培養時建立了更好的細胞-細胞相互作用。

        圖1. NSCs和ECs在CS和CS-HA基底上共培養時的成球能力和球體尺寸分布,以及在TCPS和CS-HA基底上共培養時的NSCs干性和分化潛能表征

        為了進一步維持NSC/EC共球體的長期生長并觀察NSCs和ECs之間的相互作用,研究團隊將來源于CS-HA基底的NSC/EC共球體分別封裝到CS或明膠(Gelatin)水凝膠中以提供一個類ECM的3D環境。觀察發現,在CS水凝膠中,共球體在第2天發生解離,并保持著低平穩生長速度;而在明膠水凝膠中,共球體可維持長達10天的生長而不發生解離,且生長速度更快(圖2)。

        圖2 細胞共球體分別在殼聚糖水凝膠和明膠水凝膠中的生長形態和相對生長速率


        進一步,研究團隊在水凝膠中添加成纖維細胞生長因子(FGF2)以期望促進共球體的生長和誘導ECs的血管新生。觀察發現,共球體的生長速度在添加FGF2前后并沒有明顯的差別。然而在培養至第6天時,共球體表面出現類似血管新生現象并隨后形成了類似血管網結構,這一發現僅存在gelatin水凝膠體系中(圖3)。這些數據表明,由于適當的NSC-EC和細胞-基質相互作用,將NSC/EC球蛋白封裝在含有FGF2的gelatin水凝膠基質中可能會誘導毛細血管網絡的形成。

        圖3 在FGF2因子刺激下,NSC/EC細胞共球體的生長速率和毛細管狀結構的形成


        進一步地,研究團隊將NSC/EC共球體和Gelatin配成生物墨水,并借助捷諾飛研發的Bio-Architect® WS 生物3D打印機構建了載有NSC/EC共球體的3D Gelatin水凝膠結構,在隨后的培養中形成多細胞毛細血管樣結構。這一結果初步驗證了該生物墨水具有可注射性和可打印性,為將來利用生物3D打印技術直接打印NSC/EC共球體構建仿生的神經血管結構提供了可能。

        圖4. NSC/EC共球體和Gelatin作為生物墨水的可打印性探究


        結論:研究團隊采用了生物材料以增強細胞-細胞相互作用和細胞-基質相互作用,來最終生成充滿神經血管細胞的構建體。NSC和EC在CS-HA上共培養可自組裝為細胞共球體,NSCs具有朝著膠質細胞分化的趨勢。NSC/EC共球體封裝在明膠體系基質中,ECs顯示出血管生成活性。NSC/EC共球體和明膠體系基質混合可制作生物墨水,具有可注射性和可打印性,結合生物3D打印技術,為構建載有NSC/EC共球體的神經血管單元提供了可能,可用于基礎研究和個性化醫學。

        本文采用捷諾飛研發生產的生物3D打印工作站Bio-Architect®WS。
        Bio-Architect® WS兼容、微滴、光固化等多種打印噴頭和成型平臺,為每個打印步驟提供最佳條件,拓寬打印材料范圍??纱蛴〔牧习ǎ杭毎岛图毎?、天然生物材料、高分子材料、生物無機材料等。

        論文信息:
        Hao-Wei Han, Yung-Te Hou, Shan-hui Hsu. Angiogenic potential of co-spheroids of neural stem cells and endothelial cells in injectable gelatin-based hydrogel. [J]. Materials Science & Engineering C, 99 (2019) 140–149.
        論文連接:
        https://doi.org/10.1016/j.msec.2019.01.089.

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