3D細(xì)胞培養(yǎng)可用于構(gòu)建體外模擬體內(nèi)的細(xì)胞3D微環(huán)境,用于體外研究體內(nèi)細(xì)胞的生命活動,可用于生物分析、組織工程和藥物篩選等諸多領(lǐng)域。紙作為一種成本低廉、來源豐富、生物相容性好、易于折疊和拆分、易于產(chǎn)業(yè)化等優(yōu)點的多孔材料,已被成功用于構(gòu)建細(xì)胞的3D培養(yǎng)平臺。已有的紙基細(xì)胞培養(yǎng)平臺均通過紙的疊加方式實現(xiàn)細(xì)胞的3D培養(yǎng),存在孔徑不可調(diào)、透光性差等缺點,在細(xì)胞培養(yǎng)過程中不能直接在光學(xué)顯微鏡下觀察細(xì)胞的形態(tài)和行為。因此,研發(fā)一種新型的透明紙用于細(xì)胞的3D培養(yǎng)和觀察很有必要。近日,陜西科技大學(xué)輕工學(xué)院張素風(fēng)教授和唐蕊華講師與西安交通大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院仿生工程與生物力學(xué)研究所李菲教授課題組合作研發(fā)了一種具有不規(guī)則孔徑的透明微晶纖維素/聚乙烯醇(MCC/PVA)紙,該紙不僅能更好地模擬3D細(xì)胞環(huán)境,而且能在光學(xué)顯微鏡下直接、清晰地觀察細(xì)胞形貌,為研究者提供了一種新型3D細(xì)胞培養(yǎng)和觀察平臺。
針對傳統(tǒng)細(xì)胞培養(yǎng)紙孔徑不可調(diào)和透明度差的問題,該工作對再生微晶納米纖維素溶解,通過添加NaCl致孔劑和浸漬PVA溶液的方法制備出具有不同尺寸孔徑且透明的MCC/PVA紙,用于細(xì)胞的3D培養(yǎng)和觀察(圖1)。
圖1. 透明微晶纖維素/聚乙烯醇紙的制備過程和細(xì)胞3D培養(yǎng)和觀察示意圖。
該研究制備的透明MCC/PVA紙孔隙率為90%,水下透光率為95%(圖2A),孔徑從23 μm到46 μm(圖2B),厚度從315 μm到436 μm,并且在浸泡PVA溶液后具有良好的機械性能(干強度和濕強度)(圖2C、D)、良好的親水性(接觸角:70.8°)(圖2E)和生物相容性(細(xì)胞活力高達90%)(圖2F)。
圖2. 透明MCC/PVA紙的物理化學(xué)性質(zhì)表征結(jié)果。(A)(a, b) 透明MCC/PVA紙在(a)空氣和(b)水中的照片和(c)透光率曲線;(B)不同尺寸NaCl致孔劑制備的具有不同孔徑的透明MCC/PVA紙的SEM圖;(C)不同孔徑透明MCC紙的干強度和不同PVA濃度(0, 1%, 1.5%, 2%, 5%, 10%)浸漬后的透明MCC/PVA紙的干強度表征結(jié)果;(D) 透明MCC/PVA紙在水中浸泡7天的濕強度表征結(jié)果;(E)透明MCC/PVA紙的接觸角表征結(jié)果;(F) 透明MCC/PVA紙培養(yǎng)MDA-MB-231細(xì)胞的熒光染色圖。
在此基礎(chǔ)上,該研究使用單層和堆疊的多層透明MCC/PVA紙培養(yǎng)了乳腺癌細(xì)胞,分別用于模擬乳腺癌細(xì)胞的2D和3D培養(yǎng)環(huán)境,并用光學(xué)顯微鏡和熒光顯微鏡分別觀察了細(xì)胞的生長狀態(tài)。單層紙的2D細(xì)胞培養(yǎng)結(jié)果顯示(圖3A):透明MCC/PVA紙可直觀地在光學(xué)顯微鏡和熒光顯微鏡下觀察到的細(xì)胞形貌,并且其分辨率明顯高于普通濾紙;多層紙的3D細(xì)胞培養(yǎng)結(jié)果顯示(圖3B):將多層紙剝離為單層后,可在光學(xué)顯微鏡和熒光顯微鏡下觀察細(xì)胞的形貌,發(fā)現(xiàn)細(xì)胞有往下層紙生長和遷移的現(xiàn)象,并且細(xì)胞的生長狀態(tài)良好。此結(jié)果證明制備的透明MCC/PVA紙可成功用于細(xì)胞的3D培養(yǎng)和觀察。
圖3. 單層和多層透明MCC/PVA紙上培養(yǎng)的MDA-MB-231細(xì)胞的光學(xué)顯微鏡和熒光顯微鏡圖像。 (A)單層和(B)多層透明MCC/PVA紙上培養(yǎng)的MDA-MB-231細(xì)胞光學(xué)顯微鏡和熒光顯微鏡圖像。(A)(a)光學(xué)圖像,(b)熒光圖像;(B)從上到下:(a, d)第一層,(b, e)第二層,(c, f)第三層。
以上研究成果以“Transparent Microcrystalline Cellulose/Polyvinyl Alcohol Paper as A New Platform for Three-Dimensional Cell Culture”為題發(fā)表在美國化學(xué)會雜志Analytical Chemistry 上。陜西科技大學(xué)唐蕊華講師是文章第一作者,西安交通大學(xué)李菲教授和陜西科技大學(xué)張素風(fēng)教授為通訊作者,陜西科技大學(xué)研究生劉麗娜、李敏、姚雪和西安交通大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院仿生工程與生物力學(xué)研究所研究生楊耀維為該文的其他作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、中國博士后基金、陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃等項目的資助。
論文鏈接:https://dx.doi.org/10.1021/acs.analchem.0c03458
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