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        3D打印基質的生化和結構信號誘導MSC干細胞分化為功能性汗腺組織
        2020-04-07  來源:捷諾飛  作者:捷諾飛
        【導讀】
        間充質干細胞(MSC)具有自我更新性和多能干性, 3D打印MSC為細胞的組織特異性分化提供了仿生微環境,具備再生醫學和細胞治療的重大潛能。在3D微環境下控制MSC命運的機制是研究和應用的關鍵。最近,付小兵院士、黃沙教授團隊在Science Advances 上發表論文《Biochemical and structural cues of 3D-printed matrix synergistically direct MSC differentiation for functional sweat gland regeneration》,探索了3D打印基質促進MSC分化為功能性汗腺的關鍵機制。研究利用捷諾飛研發的Bio-Architect® Pro 生物3D打印機,打印類汗腺(SG)組織誘導MSC向功能化SG分化并促進小鼠SG再生。通過細胞外基質分化蛋白表達分析和孵育刺激測試,該團隊發現CTHRC1是MSC向SG分化的關鍵生化調控基因,Hmox1通過響應3D結構刺激參與MSC分化調控,CTHRC1和Hmox1協同放大了SG的基因表達水平。

        MSC對于組織工程和再生醫學治療具有重大價值,其分化與微環境調控密切相關,研究細胞外基質(ECM)如何主宰MSC的特異性分化可為基于MSC的細胞治療提供新思路。在3D ECM中培養細胞相比2D ECM從根本上改變了細胞間的界面作用,對于提供促進新生組織穩定的生物化學和生物物理機制更有利。傳統的3D組織工程技術缺乏對材料的空間控制能力,3D生物打印可以自定義設計制造支架和組織,確保高重復性的精確控制復雜結構,使得在空間上整合多種生物物理和生物化學機制調控細胞更為有利。研究團隊采用3D生物打印技術仿生SG的再生微環境,誘導MSC細胞的SG特異性分化形成汗腺組織并產生功能。
        小鼠只有足趾墊中才有汗腺,而其他部位的皮膚附屬器只有毛囊或皮脂腺,說明汗腺生長和發揮功能的微環境特異性很強。研究團隊采用海藻酸/明膠復合水凝膠作為基礎生物墨水,小鼠足趾墊勻漿蛋白(PD)作為汗腺再生的生化調節劑添加到基礎生物墨水中,生物墨水混合MSC細胞添加綠熒光蛋白,采用捷諾飛的Bio-Architect® Pro 3D打印機構建30mm×30mm×3mm的微環境支架(如圖1 A和B),在培養過程中發現MSCs在含有PD的微環境中能夠增殖,自組裝成具有汗腺(SG)類似結構的組織(如圖1 C)。 
        圖1 3D生物打印MSC細胞負載支架的示意圖和打印結構的細胞存活、增殖和形態結果

        為了進一步驗證PD能夠在3D打印構建的微環境下直接誘導、促進MSC分化為SG,對體外培養的3D支架進行溶解、細胞分離和轉錄分析,結果顯示含有PD的支架比未含有PD的支架,汗腺的特異性標記物K8和K18表達明顯上調,免疫熒光反應的結果也得到了相應的驗證(如圖2)。
        圖2 有無PD添加下3D生物打印MSC支架的SG特異性轉錄和翻譯水平及分泌相關標記物
        為了闡明3D打印微環境如何促進分化過程中的MET-EMT轉變,研究團隊監測了MSC分化過程中上皮標記物和間充質標記物的mRNA表達水平,實驗發現PD的存在并不會導致MET-EMT過程發生,而3D結構可能參與MSC特異性分化。為進一步弄清MSC細胞腺體特異性分化的生化機制,采用蛋白組學定量分析了PD和小鼠背部真皮DD的ECM分化表達,結果發現一個高水平表達的蛋白CTHRC1,轉錄組學分析顯示3D支架結構因素促進了MSCs中Hmox1基因表達的上調。免疫組化染色揭示了CTHRC1和Hmox1協同調控誘導MSC中對于汗腺發生至關重要的BMP2基因的表達(圖3)。 
        圖3 CTHRC1和Hmox1基因協同促進MSC分化為SG
        研究團隊將帶有綠色熒光蛋白(GFP)標記的3D打印MSC支架移植到燒傷小鼠爪子上,實驗證明誘導分化的MSC可以在形態和功能水平上直接修復受損的SG組織(圖4)。該研究揭示了3D支架微環境與關鍵分子對于汗腺再生的重要性,為進一步實現汗腺再生提供了基礎。
         

        圖4 熱損傷小鼠模型移植3D打印MSC支架后汗腺修復的實驗結果 

        本文采用捷諾飛研發生產的生物3D打印工作機Bio-architect® Pro,圖5。
        聚焦于單噴頭的精準打印
        單一材料實現多樣化打印方法,可實現水凝膠、無機、合成高分子的單一打印
        搭載Distributed-TC和Regen-MIT等技術,可搭配溫控、靜電紡絲、螺桿擠出、光固化、靜電紡等模塊化噴頭和超高溫和超低溫冷井平臺
        高精度高分辨率運動模組
        易學易用
        模塊化噴頭設計和打印操作臺,上手操作簡便
        直觀的軟件,幾分鐘即可掌握
        易清潔
        三軸全封閉模組式運動平臺,功能集成化高,人性化設計,無死角,易清潔
        智能潔凈環境控制系統和打印機一體化設計,潔凈成型且便于移動
         

        圖5 Bio-architect® Pro

        本研究中使用的海藻酸/明膠復合水凝膠,可采用捷諾飛提供的標準封裝無菌生物墨水“Bioink Basic”替代。Bioink Basic生物墨水基于明膠和海藻酸復合形成水凝膠,采用專用的R-pure技術純化處理、生物相容性好,具有溫敏特性和陽離子交聯特性,3D打印性能穩定,支持直接混合細胞打印或者打印水凝膠支架后接種細胞,可廣泛應用于組織工程、細胞治療、干細胞、腫瘤、藥物篩選等生物醫學領域的研究與應用。
         

        圖6 Bioink Basic--海藻酸/明膠復合水凝膠
        原文鏈接:https://advances.sciencemag.org/content/advances/6/10/eaaz1094.full.pdf


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