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”,，團隊制備了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 hMSC 增殖,，通過使用 Gel/Alg/PMNT 墨水的增強干細(xì)胞療法進一步實現(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,，用于保護移植細(xì)胞和增強細(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)計具有改善透氣性,、促進細(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)擴散困難的問題,，從而增強干細(xì)胞細(xì)胞療法和加速傷口愈合過程。
下圖顯示了實驗整個流程,，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 墨水的增強干細(xì)胞療法進一步實現(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 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大的增殖促進性質(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)出獨特的能力，無需血清即可促進干細(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 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，可作為生物墨水進行3D打印,。

研究采用上普生物3D打印機打印材料

（點擊上圖了解最新設(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)胞增殖促進能力,。將 PMNT 引入 Gel/Alg 確實促進了細(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角質(zhì)形成細(xì)胞增殖,，從而實現(xiàn)快速傷口愈合,。

Gel/Alg/PMNT墨水在體內(nèi)的生物降解性：通過實驗證明：（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，本項研究實現(xiàn)了生物墨水的先進設(shè)計策略,，并證實了增強干細(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。隨著該方法的進一步改進,，有望提高生物相容性,、結(jié)構(gòu)和機械性能，以更好地與干細(xì)胞結(jié)合用于再生組織治療,。

參考文獻
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.