水凝胶内水凝胶活体生物打印:动态调控器官样结构以研究细胞行为与形态发生

文摘   2024-09-16 08:00   河北  

介绍:本文介绍了一种水凝胶内水凝胶活体生物打印技术,该技术能够在预制的水凝胶基器官样培养物中动态制造指导性水凝胶元素。这种技术通过在培养过程中的任何时间点通过双光子吸收交联光敏水凝胶,从而克服了以往在制造初期就限制了水凝胶组成、机械性能和几何约束的控制问题。文章强调了这种技术在研究器官发育、再生和疾病中的潜力。

结果:

  1. 光敏水凝胶的2P介导打印交联:

  • 研究团队假设光敏液体聚合物可以在所需细胞培养时间点加载到预存在的固化Matrigel中,随后通过飞秒近红外紧聚焦脉冲激光辐照交联成3D水凝胶结构。

    水凝胶中水凝胶打印的性能。

  • 通过荧光恢复后光漂白(FRAP)分析,证明了不同分子量的荧光素异硫氰酸-右旋糖酐(FITC-dextrans)能自由扩散在固体Matrigel内。

  • 成功在Matrigel内制造了HCC-明胶结构,并且在DMEM中孵化两天后保持结构完整性。

  • 器官型脊髓(oSpC)3D培养物的水凝胶水凝胶活体生物打印:

    • 利用活体生物打印技术在体外3D器官型脊髓培养物中控制神经轴突的定向生长。

      水凝胶中水凝胶活体生物打印的时间控制和 oSpC 的受控轴突导向。

    • 实验显示,神经轴突在HCC-明胶水凝胶的存在下按照水凝胶形状组织,而未经处理的Matrigel体积内神经投影则是随机排列。

  • 水凝胶的动态制备与癌细胞3D环境中的迁移:

    • 通过动态变化的组织结构研究了癌细胞在3D体外系统中的行为,如肿瘤球体。

      用于研究类器官 3D 培养中癌细胞迁移的水凝胶水凝胶活体生物打印。

    • 实验结果表明,癌细胞迁移受到水凝胶的机械性能影响,更柔软的水凝胶(4臂PEG水凝胶)外的细胞核数量显著多于更硬的水凝胶(8臂PEG水凝胶)。

  • 水凝胶活体生物打印塑造小肠类器官形态发生:

    • 利用技术生成超类器官大小的结构,指导小肠类器官的形态发生。

      通过水凝胶中的水凝胶活体生物打印进行超类器官驱动的肠道类器官形态发生。

    • 实验中,小肠类器官在培养过程中适应了水凝胶的形状,并且在水凝胶内部形成了隐窝和绒毛结构。

  • 水凝胶活体生物打印诱导肝脏类器官3D培养物的细胞极化:

    • 通过活体生物打印技术在人类胎儿肝细胞类器官3D培养物中诱导细胞极化。

      水凝胶中水凝胶活性生物打印对类器官和器官型培养物施加的 3D 几何限制。

    • 结果显示,与HCC-明胶柱相互作用的细胞表现出明显的极化现象,细胞顶部的多药耐药相关蛋白2(MRP2)和紧密连接蛋白1(ZO-1)表达明显。

  • 肺尖分叉的3D培养物中的几何约束控制:

    • 通过在肺芽尖施加几何约束,控制了肺尖分叉的方向。

    • 实验观察到,肺芽尖与水凝胶柱的物理相互作用引导了芽尖分叉,并且这种分叉过程中维持了细胞骨架的顶端极性。

    讨论:文章讨论了这种新技术如何通过精确控制3D培养环境中的细胞结构来调节生物过程,如大小、形状、细胞身份、迁移和形态发生。这项技术不仅能够进行活体成像,还能够在培养过程中的任何时间点精确定位和定向制造水凝胶结构。此外,文章还探讨了这种技术在改进当前体外器官建模方法和启发创新模型以研究动态和多细胞复杂过程方面的潜力。

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