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  人類誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（hiPSCs）理論上可以無限自我更新，分化為幾乎所有的體細(xì)胞類型；因此，它們在研究界引起了越來越多的關(guān)注，并有可能改善人類健康。特別為疾病建模、藥物研制篩選及毒性測試、個體化細(xì)胞療法和再生醫(yī)學(xué)提供了可靠的方法。自2006年 hiPSCs 的發(fā)明獲諾獎以來，hiPSCs 一直在平面（二維，2D）單層培養(yǎng)。二維培養(yǎng)中的細(xì)胞缺乏合適的干細(xì)胞生態(tài)位，這通常會導(dǎo)致多能性維持不佳和靶向分化效率低下。近年來，hiPSCs 多能干細(xì)胞三維 (3D) 球體已被證明具有生成人類器官的巨大潛力。這些進展表明，功能類器官甚至整個器官都可能由 hiPSC 產(chǎn)生。然而，這些發(fā)展是基于使用非粘附 U 型底 96 孔板或瓊脂糖微陣列成型板產(chǎn)生的機械成型球體（多細(xì)胞聚集體）。這些方法既不適合通過 3D 生物打印技術(shù)進行組織工程，也不適合大規(guī)模制造生理形成的hiPSC 球體以滿足許多應(yīng)用。此外，機械成型的多細(xì)胞球體的多能性受到很大限制導(dǎo)致低活力和多能性維持不足。

  Dr. Xiuzhi Susan Sun (孫秀芝), a University Distinguished Professor of Kansas State University (堪薩斯州立大學(xué))（美國國家發(fā)明家科學(xué)院院士）在植物蛋白高聚物和油脂以及賴氨酸高分子的結(jié)構(gòu)、合成及其應(yīng)用的研究作出卓越的貢獻。近年來，孫教授團隊研制的蛋白肽水凝膠具有世界先進水平，對體外 3D 細(xì)胞培殖、生理形成細(xì)胞球體或類器官，藥物療效及其毒性篩選，和人體組織修補和器官再生醫(yī)療具有不可估量的應(yīng)用價值。該技術(shù)獲美國專利局發(fā)明獎并被選入美國 Smithsonian 博物館創(chuàng)新慶典展覽并榮獲對“下世紀(jì)人類影響最大”的技術(shù)之一。

  最近，孫秀芝教授團隊報道了一種通用自愈肽水凝膠（圖 1），用于制造生理形成的hiPSC 球體。將 100 000 個 hiPSC 封裝在 500 μL 水凝膠中，在 5 天內(nèi)生成 ≈50 000 個球體 mL^-1（直徑 20–50 μm）。通用肽水凝膠中的 hiPSC 球體是有活力的 (85-96%)，并基于多種生物標(biāo)志物顯示出優(yōu)異的多能性和分化潛力(圖 2)。孫秀芝教授與哈佛大學(xué) Shrike Zhang 教授團隊合作使用通用肽水凝膠生物墨水，各種圖案可以輕松地從簡單的星形 3D 打印成腎狀器官形狀，無需借助紫外線或可見光或化學(xué)品進行印后交聯(lián)，顯示出可接受的可打印性（圖 3）。一張 20.0 × 20.0 × 0.75 mm³ 的薄片最終印有封裝 hiPSC 的通用肽水凝膠生物墨水并培養(yǎng)了多天，hiPSC 球體具有高于 95% 的細(xì)胞活力和優(yōu)質(zhì)的多能性和靶向分化潛力。與 PEG（polyethylene glycol）水凝膠或孔板機械成型多細(xì)胞球體技術(shù)相比，自愈通用肽水凝膠 (PG matrix 或 PGmatrix-M)顯出優(yōu)異特性。具有一致的細(xì)胞生長（15-25 倍）和高于 95% 的高細(xì)胞活力和靶向分化的巨大潛力，適用于大量生產(chǎn)生理形成 hiPSCs 球體。而 PGmatrix-M 表現(xiàn)出大規(guī)模凝膠強度、高粘度和快速自愈動力學(xué)，更適用于生物 3D 打印 hiPSCs 或 hiPSCs 球體，無需光、化學(xué)或離子交聯(lián)劑。擠出生物打印后 hiPSC 的存活率為 96%，細(xì)胞活力在 0 和 24 小時高于94%，這表明 PGmatrix-M 在打印過程中為 hiPSC 提供了最大的保護。

  圖 1. 通用自愈肽水凝膠 (PGmatrix and PGmatrix-M) 具有可調(diào)特性 《Advanced Functional Materials –Figure 1》

A.在 37°C 下 30 分鐘凝膠化過程中，PGmatrix 的儲存模量與肽納米纖維的濃度成正比。B. 在剪切稀化和溶膠-凝膠過程中，PGmatrix 的儲存模量與肽納米纖維的濃度成正比。去除剪切力后 1 分鐘，肽濃度以 0.2%、0.5% 和 1% 的凝膠強度分別恢復(fù)為 69%、73% 和 72%。C. PGmatrix 納米結(jié)構(gòu)在低（左）和高（右）分辨率下的原子力顯微鏡（AFM） 圖像。D. PGmatrix-M 在 1%、1.5% 和 3% 的肽濃度下表現(xiàn)出剪切稀化行為。E. PGmatrix-M 是溶膠-凝膠可逆的，剪切力去除后 1 分鐘，肽濃度以 1%、1.5% 和 3% 的凝膠強度分別恢復(fù)為 87%、84% 和 94%。F. PGmatrix-M 納米結(jié)構(gòu)在低（左）和高分辨率（右）下的 AFM 圖像。

  圖 2. 通用肽水凝膠（PGmatrix 或 PGmatrix-M）可以長期培養(yǎng) hiPSC 3D 球體并保持優(yōu)秀的多能性并實現(xiàn)大量 3D 生理形成球體和生物球體打印。與現(xiàn)有的 3D 球體生成技術(shù)相比，這些 hiPSC 球體具有卓越的干細(xì)胞性能和多能完整性。通用肽水凝膠具有可調(diào)節(jié)的凝膠強度、粘度和自愈動力學(xué)，適用于注射，移液，或 3D 生物打印，無需額外的化學(xué)品或光交聯(lián)。

  圖 3. 通用自愈肽水凝膠(PGmatrix-M)顯示出可接受的 3D 打印性能生物墨水。各種圖案可以輕松地從簡單的星形 3D 打印成腎狀器官形狀，無需借助紫外線或可見光或化學(xué)品進行印后交聯(lián)。比例尺為 0.5 毫米。

  相關(guān)論文以題為 Universal Peptide Hydrogel for Scalable Physiological Formation and Bioprinting of 3D Spheroids from Human Induced Pluripotent Stem Cells 發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。

  原文鏈接： https://doi.org/10.1002/adfm.202104046

  孫秀芝教授團隊研發(fā)的肽水凝膠的部分成果已經(jīng)商品化【PepGel LLC, Manhattan, KS, USA】。最近，堪薩斯大學(xué)（堪薩斯州勞倫斯）的研究證明，在 3D PGmatrix 培養(yǎng)細(xì)胞球體可刺激細(xì)胞外囊泡（Extracellular Vesicles (EV) 或外泌體）分泌。根據(jù) RNA 測序分析，在 3D PGmatrix 水凝膠中培養(yǎng)的癌細(xì)胞球體分泌的 EV 與來自癌癥患者血漿的體內(nèi)循環(huán) EV 具有約 96% 的相似性。而使用傳統(tǒng)平面 (2D) 方法培養(yǎng)的相同細(xì)胞的 EV 與來自癌癥患者的 EV 并不相關(guān)。相關(guān)論文以題為“3D cell culture stimulates the secretion of in vivo like extracellular vesicles， Sirisha Thippabhotla, Cuncong Zhong & Mei He ，發(fā)表在《Scientific Reports》上。Volume 9, Article number: 13012 (2019) . 查看更多：www.nature.com/articles/s41598-019-49671-3.