光敏三維打印超材料-動態(tài)培養(yǎng)系統(tǒng)促進干細(xì)胞分化/成熟

來源： NANO學(xué)術(shù)

目前的三維（3D）細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)主要依靠靜態(tài)細(xì)胞培養(yǎng)，缺乏徹底管理細(xì)胞內(nèi)在行為和生物特性的能力，導(dǎo)致細(xì)胞活性不理想。在此，該研究開發(fā)了基于光活性3D打印的超強韌材料動態(tài)細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)（MetaFold），用于引導(dǎo)細(xì)胞命運。MetaFold由于其超強韌結(jié)構(gòu)和微/納米級聚多巴胺涂層而表現(xiàn)出高彈性和光熱轉(zhuǎn)換效率，可以對機械和光刺激做出反應(yīng)，構(gòu)建動態(tài)培養(yǎng)條件。此外，MetaFold具有良好的細(xì)胞粘附能力，在動態(tài)刺激下可以促進細(xì)胞的活力和功能，從而使細(xì)胞活性最大化。重要的是，MetaFold可以提高干細(xì)胞向心肌細(xì)胞的分化效能，甚至可以提高其成熟度，為細(xì)胞治療提供高質(zhì)量的候選材料。因此，提出了一個雙刺激反應(yīng)的動態(tài)培養(yǎng)系統(tǒng)，它為細(xì)胞培養(yǎng)和生物研究提供了一個生理上的真實環(huán)境。

圖1. 3D動態(tài)細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)的光敏3D打印超強超材料支架

在這項研究中，構(gòu)建了一個3D打印的高張力超材料支架，稱為MetaStructure，其表面被PDA和整合素αVβ3-肽配體RWrNR進一步修飾，產(chǎn)生了一個多功能的動態(tài)培養(yǎng)系統(tǒng)（MetaFold）。MetaFold被設(shè)計用來支持細(xì)胞生長，并研究動態(tài)機械和光熱刺激下的細(xì)胞行為。從支架的結(jié)構(gòu)來看，正交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)具有較高的孔隙率。這不僅促進了細(xì)胞與環(huán)境之間的代謝物和營養(yǎng)物質(zhì)的交換，而且還表現(xiàn)支持細(xì)胞活動所需的適當(dāng)?shù)臋C械性能。 設(shè)計并制作了各種厘米大小的SEBS支架。MetaStructure和MetaFold的結(jié)構(gòu)特性是0/90°的和內(nèi)聯(lián)垂直結(jié)構(gòu)。MetaFold顯示在RWrNR/PDA改性后，表面出現(xiàn)了微/納米級的團聚物，PDA改性后，產(chǎn)生了一個微/納米尺度的粗糙表面，這可能提供一個合理的培養(yǎng)環(huán)境。

圖2. MetaFold的構(gòu)建和表征

心肌細(xì)胞（hiPSC-CMs）被認(rèn)為是一種良好的細(xì)胞移植來源，用于治療心血管疾病。然而，它們的臨床應(yīng)用受到很多因素的限制，因為使用傳統(tǒng)方案從hiPSCs分化出來的心肌細(xì)胞純度低且不成熟。在此，評估了光熱刺激和單軸循環(huán)拉伸相結(jié)合對hiPSCs的分化和hiPSC-CMs的成熟的影響。使用GSK-3β抑制劑（CHIR99021）和Wnt抑制劑（IWP4）激活hiPSCs向心肌細(xì)胞的分化。測試了三種不同的分化方案，包括傳統(tǒng)的TCP板（2D），靜態(tài)MetaFold（MetaFold+S），以及和帶有機械和光熱模擬（MetaFold+MP）。在加入抑制劑后，對MetaFold+MP循環(huán)拉伸（10%的應(yīng)變，1赫茲，10分鐘）和808納米的近紅外輻照（1.5W/cm2, ～42°C, 10 min），每隔12小時進行一次，持續(xù)5天。為了監(jiān)測分化情況，對多能性基因（Oct4和Nanog）在細(xì)胞中的表達通過qRT-PCR進行定量分析。在分化過程中，所有組的Oct4和Nanog的表達都明顯下調(diào)了。特別是MetaFold+MP的多能性基因的表達較少。表明外源性刺激可以促進干細(xì)胞分化。當(dāng)細(xì)胞收縮出現(xiàn)在第8天，收集hiPSC衍生的細(xì)胞進行進一步免疫染色實驗，以觀察hiPSC衍生細(xì)胞的細(xì)胞形態(tài)。用抗α-肌動蛋白（a）染色，三組中的hiPSC衍生細(xì)胞可以分化成心肌細(xì)胞，尤其是MetaFold+MP顯示出最高的熒光信號，表明動態(tài)三維提供了一個合適的細(xì)胞分化條件。接下來，評估了hiPSCs分化為心肌細(xì)胞的效果。使用流式細(xì)胞儀評估hiPSC衍生的細(xì)胞的cTnT（心臟標(biāo)志物）的表達。MetaFold+S的cTnT表達量為60.5%，比2D的51.4%高，表明3D培養(yǎng)為為hiPSCs的分化提供了支持性的微環(huán)境。特別是具有RWrNR/PDA修飾的Metaframework可以改善細(xì)胞的沉淀和細(xì)胞粘附。MetaFold+MP顯示了最高的分化效率，cTnT表達率為81.8%，表明三維培養(yǎng)的雙倍動態(tài)刺激可以進一步促進hiPSCs的分化。MetaFold+MP證實輕度熱療和循環(huán)拉伸可以促進hiPSCs的分化變成心肌細(xì)胞。這些結(jié)果表明，MetaFold與外源性刺激提供了一個先進的動態(tài)培養(yǎng)條件，可以促進分化效果和心肌細(xì)胞的成熟。

圖3. 在三維動態(tài)細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)中使hiPSCs分化為心肌細(xì)胞

原文：Photoactive 3D-Printed Hypertensile Metamaterials for Improving Dynamic Modeling of Stem Cells