Biofabrication：载干细胞DLP打印用于角膜重建治疗

来源： EngineeringForLife

在全球范围内，有超过500万人受到角膜失明和角膜缘干细胞缺陷（LSCD）的影响，这是一种常见的病因。传统的LSCD治疗采用手术修复干预措施，使用羊膜（AM）等来源作为基底或支架，结合角膜缘自体移植物或同种异体移植物。这些治疗方法受限于缺乏标准化的AM制备、发生医源性LSCD和免疫排斥的风险。

近期，来自加州大学圣地亚哥分校的Shaochen Chen团队和加州大学洛杉矶分校的Sophie X. Deng团队合作使用甲基丙烯酰化明胶（GelMA）或透明质酸甲基丙烯酸缩水甘油酯（HAGM）基于DLP的生物打印产生的微型水凝胶支架可以支持封装的原代兔LSC（rbLSC）在培养中的生存能力。该研究结果为干细胞疗法和角膜重建的再生医学提供了宝贵的见解。相关论文“Bioprinting of Dual ECM Scaffolds Encapsulating Limbal Stem/Progenitor Cells in Active and Quiescent Statuses”发表于杂志Biofabrication上。

如图1所示，研究者定制的基于DLP的生物打印系统可以根据用户定义的输入设计在空间上操纵光，从而可以对包含不同材料成分的细胞化水凝胶结构进行基于光聚合的精确图案化。使用基于DLP的生物打印技术，能够在几秒钟内制造出具有复杂图案和微尺度分辨率的GelMA或基于HAGM的水凝胶支架。为了测试生物相容性，制造了基于GelMA或HAGM的生物打印支架来封装初级rbLSC。活死染色证实，两种类型的生物打印支架都能够在培养7天后支持封装的rbLSCs的生存能力。简而言之，能够使用基于DLP的生物打印系统制造封装可行的初级rbLSC的GelMA和HAGM支架。

图1 封装初级rbLSC的GelMA或HAGM支架的生物打印

如图2所示，基于GelMA和HAGM的生物打印支架的机械测试表明打印系统中杨氏模量和曝光时间之间呈正线性相关。GelMA和HAGM支架具有相似的杨氏模量，曝光时间设置为25秒，作为后续实验的主要生物打印参数。免疫荧光染色显示PAX6在GelMA和HAGM封装的rbLSC中表达，而增殖标记KI67的表达仅存在于基于GelMA的支架中。与封装在GelMA中的相比，流式细胞术鉴定出封装在基于HAGM的生物打印支架中的KI67阳性rbLSC的百分比显着降低，而干性标记物的阳性比率ΔNP63在两种支架中保持相同。研究者还使用实时qPCR进行了转录分析，以比较2D培养或封装中的rbLSCs与基于GelMA或HAGM的生物打印支架。总的来说，这些结果证明了封装在基于GelMA的支架中的rbLSCs的活性状态和基于HAGM的支架中rbLSCs的静止特性。

图2 封装的初级rbLSCs在基于GelMA或HAGM的生物打印支架中显示出不同的状态

如图3所示，研究者进一步探索了人类LSCs中的LSC-ECM相互作用，与rbLSCs类似，活死染色表明，大多数封装的hLSCs在培养过程中在两种类型的生物打印支架中仍然可行。与rbLSCs一致，hLSCs的聚集菌落主要存在于基于GelMA的支架中，但在基于HAGM的支架中很少观察到。实时qPCR显示封装在基于HAGM的支架中的hLSCs具有显着更高的PAX6、CD200和P27KIP1表达，而与二维对照和GelMA组相比，KI67的表达显着下调。这些结果强化了LSCs对周围ECM成分的不同反应的观察结果，并且无论LSCs是从兔子还是人类中分离出来的，似乎都是一致的，这表明这对未来的临床研究可能非常有价值。

图3 封装的原代hLSCs在基于GelMA或HAGM的支架中保持活力并显示出不同的状态

如图4所示，研究者首先用GelMA和HAGM与荧光微球混合打印了微尺度的“阴阳”图案。在后续打印中，用初级rbLSCs替换了荧光微球，并验证了双ECM模型不同部分中封装的rbLSCs的状态。因此，通过该生物打印方法，能够制造出双ECM“阴阳”模型，其单独的ECM部分诱导LSC的活动/静止状态。

图4 封装rbLSC的双ECM“阴阳”模型的生物打印

综上所述，本研究应用基于DLP的生物打印来制造基于GelMA和HAGM的工程微型水凝胶支架。这些支架不仅支持封装的初级rbLSCs和hLSCs的生存能力，而且还表现出差异调节。发现LSC显示出ECM依赖的活动/静止状态，因为它们在基于GelMA的支架中积极增殖并在基于HAGM的支架中呈现出静止特征。基于这些发现，制造了一个包含活性和静止LSC的生物打印双ECM“阴阳”模型。总之，这些结果说明了一种用于疾病建模、药物筛选和开发基于LSC的再生疗法来治疗LSCD和相关眼部疾病的创新工程方法。

参考文献

Zhong Z, Balayan A, Tian J, Xiang Y, Hwang HH, Wu X, Deng X, Schimelman J, Sun Y, Ma C, Dos Santos A, You S, Tang M, Yao E, Shi X, Steinmetz NF, Deng SX, Chen S. Bioprinting of dual ECM scaffolds encapsulating limbal stem/progenitor cells in active and quiescent statuses. Biofabrication. 2021 Jul 30.
https://doi.org/10.1088/1758-5090/ac1992