他,一出手就是Nature Materials!
奇物论 2021-11-18

三维(3D)干细胞培养的最新进展为基础研究、药物发现和再生医学开辟了令人兴奋的前景。特别是,天然细胞外基质(ECM)替代物,例如小鼠肿瘤衍生的基质胶,能够以前所未有的方式在体外重现组织和疾病生物学,从而成功衍生出微型器官,称为类器官。尽管类器官是基础生物学中有价值的模型系统,但它们的转化潜力才刚刚开始被探索,主要是因为它们目前依赖于不清晰的动物源性基质。这个关键的绊脚石可以通过合成和结构清晰的水凝胶来克服,尽管这些系统的非生理机械特性会严重阻碍培养干细胞的形态发生。

 

由于基于聚乙二醇(PEG)的水凝胶可以为有效的上皮干细胞集落生长量身定制,因此假设如果它们可以被设计成至少在某种程度上重构了天然 ECM 的应力松弛特性,它们可以提供一个最佳系统来促进类器官的精细形态发生过程。

 

成果简介

鉴于此,洛桑联邦理工学院Matthias P. Lutolf等人设计了一种基于两种不同多臂PEG大分子单体交联的混合网络架构:一种是共价的,通过迈克尔加成,另一种是可逆的,通过三重氢键相互作用,并利用合成水凝胶促进广泛的类器官形态发生。成果发表在Nature Materials上。

 

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设计思路

研究人员选择胞嘧啶作为可逆交联的候选构建块,因为在生理 pH 值下,该核碱基可以与其互变异构体形成三个氢键。为了防止在水性环境中与水分子形成不需要的氢键,研究人员依据前人的设计,加入了一个由长碳链组成的间隔物,作为疏水袋。此外,研究人员推断,主要通过温和的迈克尔加成控制交联的混合网络可以绕过潜在的细胞毒性 pH 值的改变或暴露于高温,因此更适合 3D 细胞培养应用。此外,具有共价交联可以降低固体含量并增加凝胶稳定性,避免细胞培养过程中出现不良降解。

 

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图|PEG-胞嘧啶50的合成与设计


具有可调的应力松弛特性

混合PEG水凝胶通过共聚8-PEG-胞嘧啶50和八臂硫醇官能化PEG(8-PEG-TH)进行交联合成。研究发现,混合水凝胶显示应力松弛特性,与 Matrigel 相对相似。有趣的是,通过胞嘧啶功能化程度(8-PEG-胞嘧啶25, 8-PEG-胞嘧啶65)调节物理交联的整体比例可以调节应力松弛的百分比

 

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图|Hybrid50 水凝胶的合成和力学表征


允许分化和类器官形成

接下来,研究人员评估了应力松弛的合成凝胶支持 3D 干细胞扩增和类器官图案的能力。研究人员利用小鼠肠道类器官作为模型系统,因为该模型具有天然组织的所有关键细胞类型的隐窝-绒毛结构。单个小鼠肠干细胞 (mISCs) 在合成水凝胶和基质胶中均发育成顶端极化的上皮囊肿,在 1 kPa 下具有最佳集落形成效率。此外,不可降解的Hybrid50 水凝胶显著促进了更高水平的出芽和隐窝-绒毛形态发生。在300 Pa下发现混合凝胶中类器官形成的最高效率 (~35%),尽管与基质胶 (~69%) 相比效率较低。总体而言,这些数据表明,应力松弛混合水凝胶允许分化和类器官形成,而且不受水凝胶网络降解的影响。

 

长期培养类器官

此外,研究还表明应力松弛影响早期类器官发育的对称性破坏,而且该基质依赖于 yes 相关蛋白 1 的Paneth细胞形成来促进肠道干细胞上皮中的有效隐窝出芽,而基质的整体刚度是(萌芽)类器官发育的关键。研究人员还证明了混合合成凝胶可以用于人类肠道类器官长期培养

 

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图|扩展混合水凝胶在长期 hSI 类器官培养中的应用


小结

与传统的合成水凝胶相比,该混合应力松弛凝胶能够适应组织扩张和发育过程中发生的机械变化,而不受不可逆网络退化的影响。并且证明了此类水凝胶可以用于3D 类器官培养。设想这种动态凝胶将允许更精确的环境控制,以支持改进的类器官生长和形态发生。

 

值得注意的是,Matthias P. Lutolf课题组致力于类器官领域,近年来研究成果频登Nature系列顶刊,包括Nature、Nature Materials、Nature BME等


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简介

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Matthias P. Lutolf洛桑联邦理工学院生物工程系教授,其主要研究方向是生物工程,干细胞,生物材料,组织工程,微流控,单细胞分析,高通量筛选。在Nature,Nature Materials, Nature Methods, Cell Stem Cell,PNAS等期刊发表100多篇研究论文。


参考文献:

Chrisnandy, A., Blondel,D., Rezakhani, S. et al. Synthetic dynamic hydrogels promotedegradation-independent in vitro organogenesis. Nat. Mater. (2021).

https://doi.org/10.1038/s41563-021-01136-7




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