光敏三维打印超材料-动态培养系统促进干细胞分化/成熟

来源： NANO学术

目前的三维（3D）细胞培养系统主要依靠静态细胞培养，缺乏彻底管理细胞内在行为和生物特性的能力，导致细胞活性不理想。在此，该研究开发了基于光活性3D打印的超强韧材料动态细胞培养系统（MetaFold），用于引导细胞命运。MetaFold由于其超强韧结构和微/纳米级聚多巴胺涂层而表现出高弹性和光热转换效率，可以对机械和光刺激做出反应，构建动态培养条件。此外，MetaFold具有良好的细胞粘附能力，在动态刺激下可以促进细胞的活力和功能，从而使细胞活性最大化。重要的是，MetaFold可以提高干细胞向心肌细胞的分化效能，甚至可以提高其成熟度，为细胞治疗提供高质量的候选材料。因此，提出了一个双刺激反应的动态培养系统，它为细胞培养和生物研究提供了一个生理上的真实环境。

图1. 3D动态细胞培养系统的光敏3D打印超强超材料支架

在这项研究中，构建了一个3D打印的高张力超材料支架，称为MetaStructure，其表面被PDA和整合素αVβ3-肽配体RWrNR进一步修饰，产生了一个多功能的动态培养系统（MetaFold）。MetaFold被设计用来支持细胞生长，并研究动态机械和光热刺激下的细胞行为。从支架的结构来看，正交网格结构具有较高的孔隙率。这不仅促进了细胞与环境之间的代谢物和营养物质的交换，而且还表现支持细胞活动所需的适当的机械性能。 设计并制作了各种厘米大小的SEBS支架。MetaStructure和MetaFold的结构特性是0/90°的和内联垂直结构。MetaFold显示在RWrNR/PDA改性后，表面出现了微/纳米级的团聚物，PDA改性后，产生了一个微/纳米尺度的粗糙表面，这可能提供一个合理的培养环境。

图2. MetaFold的构建和表征

心肌细胞（hiPSC-CMs）被认为是一种良好的细胞移植来源，用于治疗心血管疾病。然而，它们的临床应用受到很多因素的限制，因为使用传统方案从hiPSCs分化出来的心肌细胞纯度低且不成熟。在此，评估了光热刺激和单轴循环拉伸相结合对hiPSCs的分化和hiPSC-CMs的成熟的影响。使用GSK-3β抑制剂（CHIR99021）和Wnt抑制剂（IWP4）激活hiPSCs向心肌细胞的分化。测试了三种不同的分化方案，包括传统的TCP板（2D），静态MetaFold（MetaFold+S），以及和带有机械和光热模拟（MetaFold+MP）。在加入抑制剂后，对MetaFold+MP循环拉伸（10%的应变，1赫兹，10分钟）和808纳米的近红外辐照（1.5W/cm2, ～42°C, 10 min），每隔12小时进行一次，持续5天。为了监测分化情况，对多能性基因（Oct4和Nanog）在细胞中的表达通过qRT-PCR进行定量分析。在分化过程中，所有组的Oct4和Nanog的表达都明显下调了。特别是MetaFold+MP的多能性基因的表达较少。表明外源性刺激可以促进干细胞分化。当细胞收缩出现在第8天，收集hiPSC衍生的细胞进行进一步免疫染色实验，以观察hiPSC衍生细胞的细胞形态。用抗α-肌动蛋白（a）染色，三组中的hiPSC衍生细胞可以分化成心肌细胞，尤其是MetaFold+MP显示出最高的荧光信号，表明动态三维提供了一个合适的细胞分化条件。接下来，评估了hiPSCs分化为心肌细胞的效果。使用流式细胞仪评估hiPSC衍生的细胞的cTnT（心脏标志物）的表达。MetaFold+S的cTnT表达量为60.5%，比2D的51.4%高，表明3D培养为为hiPSCs的分化提供了支持性的微环境。特别是具有RWrNR/PDA修饰的Metaframework可以改善细胞的沉淀和细胞粘附。MetaFold+MP显示了最高的分化效率，cTnT表达率为81.8%，表明三维培养的双倍动态刺激可以进一步促进hiPSCs的分化。MetaFold+MP证实轻度热疗和循环拉伸可以促进hiPSCs的分化变成心肌细胞。这些结果表明，MetaFold与外源性刺激提供了一个先进的动态培养条件，可以促进分化效果和心肌细胞的成熟。

图3. 在三维动态细胞培养系统中使hiPSCs分化为心肌细胞

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