中科院動物所顧奇&化學(xué)所王樹組 | 可3D打印的新型聚噻吩水凝膠助力干細(xì)胞治療

來源：上普生物

近期，來自中科院動物所顧奇研究員與中科院化學(xué)所王樹研究員課題組在ACS Appl. Mater. Interfaces發(fā)表了文章題為“3D Bioprinting of Polythiophene Materials for Promoting Stem Cell Proliferation in a Nutritionally Deficient Environment”，團(tuán)隊(duì)制備了PMNT集成的明膠/藻酸鹽生物墨水（Gel/Alg/PMNT）。通過使用上普生物3D打印設(shè)備將墨水與 hMSCs 結(jié)合使用，其中誘導(dǎo)性刺激 PMNT 可有效促進(jìn) hMSC 增殖，通過使用 Gel/Alg/PMNT 墨水的增強(qiáng)干細(xì)胞療法進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)全層切除傷口的加速愈合。

文章簡介
包括胚胎干細(xì)胞 (ESCs)、誘導(dǎo)多能干細(xì)胞 (iPSCs) 和組織特異性內(nèi)源性干細(xì)胞在內(nèi)的干細(xì)胞在治療各種疾病和損傷方面表現(xiàn)出突出的潛力。然而，由于缺乏支持細(xì)胞活動的 3D 結(jié)構(gòu)導(dǎo)致細(xì)胞保留時間短，因此將干細(xì)胞直接移植到損傷或疾病部位并不可取。

為了解決這個問題，已經(jīng)開發(fā)了多種水凝膠系統(tǒng)來提供 3D 支撐支架，用于保護(hù)移植細(xì)胞和增強(qiáng)細(xì)胞功能。盡管如此，大多數(shù)新興水凝膠仍然存在透氣性不良、沒有精確的微觀結(jié)構(gòu)、營養(yǎng)擴(kuò)散距離有限導(dǎo)致細(xì)胞活力低以及生物活性分子的復(fù)雜修飾等問題。

因此，設(shè)計(jì)具有改善透氣性、促進(jìn)細(xì)胞增殖和簡化修飾方法的新水凝膠系統(tǒng)仍然是干細(xì)胞治療的關(guān)鍵問題。
本項(xiàng)研究中，陽離子共軛聚噻吩衍生物 poly[3-(3'- N , N , N-三乙氨基-1'-丙氧基)-4-甲基-2,5-噻吩鹽酸鹽] PMNT 被整合到 3D 生物打印系統(tǒng)中，以促進(jìn)無血清培養(yǎng)基中打印結(jié)構(gòu)內(nèi)的人類臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞 (hMSC) 增殖，旨在克服營養(yǎng)擴(kuò)散困難的問題，從而增強(qiáng)干細(xì)胞細(xì)胞療法和加速傷口愈合過程。
下圖顯示了實(shí)驗(yàn)整個流程，通過靜電相互作用將三種成分與 hMSCs 混合在一起，制備了 PMNT 集成的明膠/藻酸鹽生物墨水（Gel/Alg/PMNT）。通過將 3D 生物打印策略與 hMSCs 結(jié)合使用，通過使用 Gel/Alg/PMNT 墨水的增強(qiáng)干細(xì)胞療法進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)全層切除傷口的加速愈合，其中誘導(dǎo)性刺激 PMNT 可有效促進(jìn) hMSC 增殖。所開發(fā)的共軛聚合物墨水 Gel/Alg/PMNT 固有的高生物活性和強(qiáng)大的增殖促進(jìn)性質(zhì)顯著克服了營養(yǎng)不足的環(huán)境，尤其是在 3D 打印大尺寸結(jié)構(gòu)。生物活性聚噻吩材料表現(xiàn)出獨(dú)特的能力，無需血清即可促進(jìn)干細(xì)胞增殖，為組織重建中的 3D 生物打印提供了一種新的生物墨水。
據(jù)研究者稱，這是第一個表明陽離子共軛聚合物應(yīng)用在生物3D打印領(lǐng)域并增強(qiáng)組織工程中的干細(xì)胞療法的研究案例，尤其是在加速傷口愈合方面。

研究主要成果
PMNT在無血清培養(yǎng)基中對hMSC增殖的促進(jìn)作用：PMNT 通過驅(qū)動細(xì)胞周期從 G1 期過渡到 S 期和增加主要在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的碳代謝來促進(jìn) hMSC 增殖。

Gel/Alg/PMNT墨水的材料特性和可打印性：為了證明墨水的可打印性，各種3D結(jié)構(gòu)包括三角形，正方形，圓形，半太極結(jié)構(gòu)通過上普生物3D打印機(jī)打印，其具有精確的微結(jié)構(gòu)，良好的自支撐能力，并且明顯的界限。這些結(jié)果表明，Gel/Alg/PMNT 墨水打印性良好，可作為生物墨水進(jìn)行3D打印。

研究采用上普生物3D打印機(jī)打印材料

（點(diǎn)擊上圖了解最新設(shè)備細(xì)節(jié)）

Gel/Alg/PMNT墨水的生物相容性與促進(jìn)細(xì)胞增殖能力：培養(yǎng) 3 天后，Gel/Alg/PMNT 墨水內(nèi) 90% 以上的 hMSCs 保持存活。研究證明Gel/Alg/PMNT表現(xiàn)出更好的生物相容性和細(xì)胞增殖促進(jìn)能力。將 PMNT 引入 Gel/Alg 確實(shí)促進(jìn)了細(xì)胞的生長和增殖，增加了有效的生物打印深度，并克服了 3D 打印結(jié)構(gòu)中營養(yǎng)不足的環(huán)境。

Gel/Alg/PMNT墨水在體內(nèi)加速全層傷口愈合：通過將打印結(jié)構(gòu)移植在小鼠全層切除傷口處，治療 15 天后，Gel/Alg/PMNT 組的傷口基本愈合，而對照組的傷口在傷后第 18 天愈合，證實(shí)了較高的Gel/Alg/PMNT 組的愈合率。此外，Gel/Alg/PMNT 在第18天創(chuàng)傷后處理的再生創(chuàng)傷組織的組織學(xué)上顯示的完整的上皮再形成。這些發(fā)現(xiàn)證明了 Gel/Alg/PMNT 墨水包裹的 hMSCs在體內(nèi)加速傷口愈合的出色能力。

Gel/Alg/PMNT墨水加速愈合機(jī)理：Gel/Alg/PMNT 墨水可以在愈合過程中上調(diào)膠原蛋白生成并促進(jìn)角質(zhì)形成細(xì)胞增殖，從而實(shí)現(xiàn)快速傷口愈合。

Gel/Alg/PMNT墨水在體內(nèi)的生物降解性：通過實(shí)驗(yàn)證明：（1）hMSC 封裝的 3D 生物打印結(jié)構(gòu)可以成功地定位在傷口部位而不會掉落，（2）植入的 hMSC 可以在傷口部位存活 6-9 天，（3） Gel/Alg/PMNT 墨水可以提高封裝的 hMSCs 的細(xì)胞活性，進(jìn)一步證明其優(yōu)異的生物活性。隨著植入時間從3天延長到7天和14天，植入的支架隨著時間的推移逐漸降解。

總結(jié)
陽離子PMNT可以通過驅(qū)動細(xì)胞周期和上調(diào)生物合成和代謝途徑中的基因表達(dá)來促進(jìn)無血清培養(yǎng)基中的hMSC增殖。研究開發(fā)了生物活性 PMNT 集成的生物墨水Gel/Alg/PMNT，Gel/Alg/PMNT 墨水打印的 3D 結(jié)構(gòu)可以加速體內(nèi)傷口愈合。由于 PMNT 的誘導(dǎo)刺激，產(chǎn)生更多的膠原蛋白并促進(jìn)細(xì)胞增殖。Gel/Alg/PMNT 的發(fā)展意味著一種簡單有效的生物活性分子修飾方法，并顯著克服了 3D 打印大型結(jié)構(gòu)中營養(yǎng)不足的環(huán)境。為此，本項(xiàng)研究實(shí)現(xiàn)了生物墨水的先進(jìn)設(shè)計(jì)策略，并證實(shí)了增強(qiáng)干細(xì)胞療法在組織重建應(yīng)用中的應(yīng)用，尤其是在加速傷口愈合方面。隨著該方法的進(jìn)一步改進(jìn)，有望提高生物相容性、結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能，以更好地與干細(xì)胞結(jié)合用于再生組織治療。

參考文獻(xiàn)
Zhao, H., Xu, J., Zhang, E., Qi, R., Huang, Y., Lv, F., Liu, L., Gu, Q. and Wang, S., 2021. 3D Bioprinting of Polythiophene Materials for Promoting Stem Cell Proliferation in a Nutritionally Deficient Environment. ACS Applied Materials & Interfaces.