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

來源： NANO學(xué)術(shù)

目前的三維（3D）細胞培養(yǎng)系統(tǒng)主要依靠靜態(tài)細胞培養(yǎng)，缺乏徹底管理細胞內(nèi)在行為和生物特性的能力,，導(dǎo)致細胞活性不理想,。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)細胞培養(yǎng)系統(tǒng)（MetaFold）,，用于引導(dǎo)細胞命運,。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具有良好的細胞粘附能力,，在動態(tài)刺激下可以促進細胞的活力和功能,，從而使細胞活性最大化。重要的是,，MetaFold可以提高干細胞向心肌細胞的分化效能,，甚至可以提高其成熟度，為細胞治療提供高質(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)計用來支持細胞生長，并研究動態(tài)機械和光熱刺激下的細胞行為,。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)支持細胞活動所需的適當?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

心肌細胞（hiPSC-CMs）被認為是一種良好的細胞移植來源,，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胞分化。當細胞收縮出現(xiàn)在第8天,，收集hiPSC衍生的細胞進行進一步免疫染色實驗,，以觀察hiPSC衍生細胞的細胞形態(tài)。用抗α-肌動蛋白（a）染色,，三組中的hiPSC衍生細胞可以分化成心肌細胞,，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胞分化條件,。接下來,，評估了hiPSCs分化為心肌細胞的效果。使用流式細胞儀評估hiPSC衍生的細胞的cTnT（心臟標志物）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可以改善細胞的沉淀和細胞粘附,。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胞的成熟。

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

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