中國粉體網訊 類器官作為一種三維多細胞構建體，能夠構建相應組織和器官的部分結構和功能特征，在疾病建模、藥物篩選和再生醫學方面顯示出巨大的應用潛力。類器官的生長和發育通常需要水凝膠等基質材料提供適當的微環境，目前用于支持類器官培養的水凝膠大多使用基質膠（Matrigel），但其為小鼠肉瘤提取物，組成復雜、不同批次間的理化性質差異大。因此，多種水凝膠體系已被開發用于類器官的培養和功能化，包括纖維蛋白、海藻酸鹽等天然高分子水凝膠，聚乙二醇等合成高分子水凝膠，以及脫細胞基質水凝膠等。然而這些水凝膠體系在支持類器官培養方面存在生物活性有限、交聯復雜等不足。生物活性陶瓷由于其顯著的生物活性、高生物相容性和出色的可調節特性，在組織工程和再生醫學領域被廣泛應用。生物活性陶瓷材料可調控水凝膠的力學性能，其釋放的離子可通過多種信號通路調節干細胞的功能，因此利用生物陶瓷材料改進水凝膠體系，有望開發出適用于類器官培養和功能化的基質材料。
近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所吳成鐵研究員和呂宏旭特聘研究員團隊合作在生物陶瓷材料復合水凝膠用于支持類器官培養、生長發育和功能化研究中取得重要進展。該團隊開發了由硅酸鹽生物活性陶瓷硅酸鈣（CS）納米線和甲基丙烯酸明膠（GelMA）組成的復合水凝膠，通過添加一定比例的基質膠進行優化，可作為培養腸道和肝臟類器官的基質材料（如圖1）。該復合水凝膠對類器官的生長和功能化具有促進作用，CS納米線釋放的生物活性離子對維持干細胞穩態和自我更新至關重要，證實了生物陶瓷材料在類器官培養中的應用潛力。該研究成果近日發表在Materials Horizons期刊上（Materials Horizons, 2024, DOI:10.1039/d4mh00228h），題為“A bioactive calcium silicate nanowire-containing hydrogel for organoid formation and functionalization”，并申請發明專利一項。論文第一作者為上海硅酸鹽所在讀博士研究生馬文平，通訊作者為吳成鐵研究員和呂宏旭特聘研究員。
圖1 CS/GelMA復合水凝膠用于支持類器官的生長和發育
由于CS納米線釋放的生物活性離子以及納米線對水凝膠基質機械強度的調控，CS/GelMA復合水凝膠有助于支持小鼠腸道類器官的生長和發育。CS/GelMA復合水凝膠中培養的腸道類器官，顯示出與基質膠中培養的類器官相近的生長和發育特征，包括分化細胞類型的表達、類器官功能以及傳代培養的能力等（圖2）。此外，研究發現CS納米線釋放的生物活性離子能夠促進腸道類器官發育的關鍵信號通路Wnt/β-catenin傳導，并提高了葡萄糖吸收和ATP代謝活性，成為CS納米線促進類器官發育的關鍵機制（圖3）。
圖2 CS/GelMA水凝膠對腸道類器官生長和功能的影響。（a）培養5天后不同組腸道類器官中分化的細胞類型的免疫熒光染色圖像。比例尺：100μm。（b）-（e）不同水凝膠培養的腸道類器官的四種分化細胞類型對應基因的表達。（f）毛喉素處理后，腸道類器官的光學顯微圖像。比例尺：100μm。（g）毛喉素處理后的類器官的相對投影面積變化曲線。（h）第0、2、4和6代時在不同水凝膠中生長的腸道類器官的光學顯微圖像。比例尺：200μm。（i）-（l）在第0、2、4和6代時，在不同水凝膠中培養的腸道類器官基因表達。
圖3 CS納米線支持腸道類器官發育的機制。（a）用CS納米線處理3天和5天的腸道類器官中β-catenin的表達。比例尺：100 μm。（b）β-catenin的平均熒光強度分析。（d）用CS納米線處理3和5天后，腸道類器官中Wnt/β-catenin信號通路相關基因表達熱圖。（e）不同組的腸道類器官對葡萄糖的吸收比較。（f）不同組的腸道類器官中ATP產量。（g）CS納米線促進腸道類器官發育的機制示意圖。
進一步，該研究證明了CS/GelMA復合水凝膠也能夠支持小鼠肝臟類器官的發育，培養出的肝臟類器官表現出與正常小鼠肝臟相似的結構和功能特征，表明該水凝膠在類器官培養中具有一定的適用性（圖4）。綜上所述，該研究制備了一種可用于支持腸道和肝臟類器官生長發育的硅酸鹽復合水凝膠，探究了硅酸鹽活性材料促進類器官生長和功能化的作用及其生物學機制，為以硅酸鹽為代表的生物陶瓷材料在類器官研究中的應用奠定了基礎。
相關研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院穩定支持基礎研究領域青年團隊計劃、上海分院基礎特區和上海揚帆計劃等基金的資助。
圖4 CS/GelMA水凝膠培養的肝臟類器官的生長和功能化。（a）肝臟類器官的光學顯微圖像。比例尺：200μm。（b）在不同水凝膠中培養5天的肝臟類器官的H&E染色圖像。比例尺：100μm。（c）在不同水凝膠中培養5天的肝臟類器官的免疫熒光染色圖像。比例尺：100μm。（d）在不同水凝膠中培養5天的肝臟類器官的基因表達。（e）在不同水凝膠中培養5天的肝臟類器官的過碘酸雪夫（PAS）和油紅O染色（品紅：糖原；橙色：脂質）。比例尺：100μm。
（中國粉體網編輯整理/空青）
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