研究简介
2024年，由浙江大学刘东红、徐恩波组在《Biomaterials》杂志上发表了题为“Topological polymeric glucosyl nanoaggregates in scaffold enable high-density piscine muscle tissue”的研究论文。
本研究的主要结果是，通过将五种植物衍生的食用聚合物葡萄糖基纳米颗粒（GNPs）整合到明胶/海藻酸盐水凝胶中，形成了具有纳米级拓扑形态的支架，显著增强了鱼类卫星细胞（PSCs）在定制的细胞外基质中的粘附和增殖效率。
图文赏析
研究中使用水凝胶细胞支架作为体外三维细胞培养的优良材料，因为它们具有良好的生物相容性、可预测的降解率、可调节的机械性能和良好的弹性。天然水凝胶及其衍生材料，包括明胶、胶原蛋白、壳聚糖、海藻酸、透明质酸等，具有生物和物理化学线索，允许细胞三维生长。然而，由于支架的固化、强度与允许细胞生长的孔隙性之间的矛盾，很难在初始和长期培养中同时保持高细胞活性和密度。因此，使细胞培养肉达到天然组织细胞密度（约108/cm3）仍然是一个挑战。在体内亚细胞水平上，细胞外基质（ECM）为细胞提供结构支持，并通过整合素、焦点粘附和细胞骨架元素传递机械信号，这些信号可以被细胞感知。天然ECM中存在的纳米级拓扑线索，以及这些纳米拓扑类型与细胞之间的相互作用，部分控制了细胞的行为。理解细胞-ECM（用纳米材料人工构建）的相互作用将有助于细胞运动、形态、增殖和分化的进展。在基本水凝胶支架中添加纳米颗粒或形成纳米形态可以帮助改善细胞生长微环境的化学和物理属性。虽然化学组成影响细胞与材料内表面的相互作用，调节蛋白质在材料上的吸附，但物理属性是多种细胞内机械转导机制的先决条件。
研究中，通过将GNPs添加到水凝胶中，研究人员构建了具有不同内部表面的三维水凝胶支架。这些GNPs促进了PSCs的粘附和增殖效率，通过上调焦点粘附-整合素-细胞骨架机械转导信号，最终提高了肌肉纤维的密度、取向和分化效率。通过控制支架的直径，研究人员生产了与天然鱼肌肉组织相似的肌肉纤维密度和取向的细胞培养鱼片。
研究还发现，GNPs在水凝胶中的聚集形态对细胞行为有显著影响。例如，GNP2-P（由普通淀粉纳米颗粒形成的多面体形态）在促进细胞粘附和增殖方面表现最佳，这可能是由于其粗糙度和极性使得更多的粘附蛋白被困在细胞培养水凝胶中。此外，通过转录组分析和免疫荧光染色，研究人员发现GNP纳米聚集体显著增加了与整合素介导的ECM信号通路的相互作用。
在不同GNP纳米聚集体中，GNP2-P由于其对细胞行为的显著影响而被选为3D打印生物墨水，以改善培养鱼肉中肌纤维的取向。研究发现，随着水凝胶丝直径的减小，细胞取向角度降低，但当直径过小时，会降低细胞生长。因此，200微米直径的GNP2-P水凝胶支架为PSCs的分化、存活和取向提供了最佳微环境。
最后，研究通过添加食用色素和脂肪细胞，成功构建了模拟不同类型海鱼组织的类似组织鱼片。通过营养组成分析、杨氏模量和水分分布的测定，研究人员评估了培养鱼肉产品的物理特性。结果表明，GNP2-P水凝胶支架的应用显著提高了培养鱼肉的肌纤维密度和取向，使其接近天然鱼肉的水平。
总之，本研究展示了天然植物多糖作为培养肉生产支架材料的巨大潜力，并可能在再生医学中也有应用前景。未来的研究将重点关注细胞培养肉加工的完全质量和安全以及成本控制，以促进其商业化生产。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2024.122819
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