用于模擬腦微環(huán)境的3D打印透明質(zhì)酸基載細(xì)胞支架

供稿人:裴娜、王玲
供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

由于腦腫瘤對(duì)全世界人類健康的巨大威脅，因此了解極其復(fù)雜的人腦微環(huán)境對(duì)于腦腫瘤研究以及治療藥物的開發(fā)至關(guān)重要。研究發(fā)現(xiàn)了腫瘤微環(huán)境（尤其是ECM）在多形性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤（GBM）進(jìn)展和侵襲中起關(guān)鍵作用，然而潛在的分子機(jī)制仍然不清楚。因此，建立體外腫瘤模型可能是研究腫瘤相關(guān)細(xì)胞和周圍細(xì)胞外基質(zhì)分子之間相互作用的一種可能方法，這首先需要以載正常腦細(xì)胞的水凝膠支架的形式模擬腦微環(huán)境。因此，通過用于腦腫瘤研究的3D生物打印技術(shù)制造體外腦微環(huán)境模型是首要任務(wù)。

浙江大學(xué)流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的科研人員基于氣動(dòng)擠壓的3D生物打印系統(tǒng)來構(gòu)建兩種最常見的模型結(jié)構(gòu)，一種是多層網(wǎng)格矩陣，另一種是單層固體膜，在含有透明質(zhì)酸（HA）、明膠（GA）、海藻酸鈉（SA）的生物墨水中包裹人類神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞（HEBs）以構(gòu)建模擬腦基質(zhì)微環(huán)境的模型。以探究生物墨水的配方以及明膠濃度對(duì)具有不同結(jié)構(gòu)的支架的模擬腦基質(zhì)微環(huán)境模型的機(jī)械和生物學(xué)特性的影響。

圖1 載細(xì)胞支架打印過程的示意圖

研究人員通過改變生物墨水中明膠的濃度獲得三種生物墨水。含有1.5%HA+1.5%SA的生物墨水命名為0GA, 含有1.5%HA+1.5%SA+3.75%GA的生物墨水命名為3.75%GA, 含有1.5%HA+1.5%SA+7.5%GA的生物墨水命名為7.5%GA。研究人員通過SEM圖像來研究和比較生物墨水多孔結(jié)構(gòu)的形成，并使用組織學(xué)蘇木精-伊紅染色來觀察生物墨水中HEBs的形態(tài)。從結(jié)果中可以看出，當(dāng)生物墨水不含明膠時(shí)，水凝膠形呈片狀結(jié)構(gòu)，并顯示出更致密的結(jié)構(gòu)，支架內(nèi)的HEBs顯示出緊密的粘附和連接。隨著明膠濃度的增加，水凝膠的微結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)明顯的多孔和網(wǎng)狀。并且支架內(nèi)的細(xì)胞顯示出更分散的分布，并且沿著在微結(jié)構(gòu)中形成的網(wǎng)狀纖維的方向定向生長，這也解釋了在含有明膠的生物模型中細(xì)胞具有較高的存活能力。

此外，研究人員利用死活染色觀察人類神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞在具有不同結(jié)構(gòu)和不同成分的生物支架中的生存力，以比較明膠的影響以及兩種結(jié)構(gòu)對(duì)細(xì)胞生存力的影響。

圖2 人類神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞在打印1天之后在（a）單層固體膜和（b）多層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)(比例尺1mm)（c）單層固體膜和（d）多層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)(比例尺500μm)中的死活染色結(jié)果圖（e）在打印后第1、7和14天，五個(gè)測(cè)試組中的細(xì)胞存活率（f）培養(yǎng)14天后五個(gè)測(cè)試組中細(xì)胞增殖率。

結(jié)果表明，與不含明膠且在長期培養(yǎng)中被打印成單層固體膜結(jié)構(gòu)的生物模型相比，適當(dāng)濃度的明膠可以增強(qiáng)打印結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并且多層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)可以增大細(xì)胞獲取營養(yǎng)物和氧氣的表面積，從而多層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)細(xì)胞的存活率，并且，在五種測(cè)試組中，細(xì)胞的存活率都維持在85%以上，說明本文構(gòu)建的模型適合細(xì)胞的生長。

參考文獻(xiàn)：
Ma, L., et al., 3D bioprinted hyaluronic acid-based cell-laden scaffold for brain microenvironment simulation. Bio-Design and Manufacturing, 2020. 3(3): p. 164-174.