传统的培养皿培养系统（Petri Dish Culture System, PDCS）由于其硬质、低粘度和平滑表面的特性，可能导致MSCs的多能性丧失和分泌特性改变。相比之下，凝胶微球培养系统（Gel Microsphere Culture System, GMCS）提供了一个更为仿生的三维聚合物网络环境，能够更好地维持MSCs的特性。研究旨在比较GMCS和PDCS对ADSCs生物学状态的影响，并探讨GMCS在细胞培养和组织再生中的应用潜力。
研究简介
凝胶微球的制备与特性：
通过微流控技术成功制备了具有规则形状和较小直径分布范围的凝胶微球。这些微球的直径可以通过调节凝胶和油相的流速来控制，且直径变化率低于11%。实验结果表明，所制备的凝胶微球具有良好的细胞相容性，能够在其表面支持ADSCs的高存活率和增殖。
ADSCs在GMCS和PDCS中的生物学状态：
通过流式细胞术检测，两组细胞均表达MSCs的特征表面标志物。GMCS组的ADSCs显示出更高的克隆形成能力和三系分化潜力（脂肪、骨、软骨）。转录组测序结果表明，与PDCS组相比，GMCS组的ADSCs在基因表达上更接近于体内脂肪前体细胞（Adipose Progenitor Cells, APCs），具有更高的干性指数。这些结果表明，GMCS能够更好地维持ADSCs的干性和未分化状态。
GMCS中ADSCs高干性的机制：
京都基因与基因组百科全书（KEGG）富集分析显示，GMCS组中ECM-受体相互作用途径显著下调，而核糖体途径显著上调。蛋白质组学测序结果与转录组结果一致，表明GMCS组中与细胞-ECM相互作用相关的蛋白质表达下调。通过抑制或增强PDCS和GMCS中的细胞-ECM相互作用，可以提高ADSCs的三系分化能力和克隆形成能力。这些结果表明，细胞-ECM相互作用在不同培养系统中对ADSCs干性的影响不同。
双层支架的构建与骨软骨再生：
利用GMCS和PDCS中的ADSCs构建了骨软骨双层支架，并评估了其在体外和体内的骨软骨再生效果。GMCS组的支架显示出更高的细胞存活率和骨软骨特异性蛋白表达水平。在体外实验中，GMCS组的骨和软骨支架的杨氏模量显著高于PDCS组，表明GMCS组的支架具有更好的机械性能。在体内实验中，GMCS组的双层支架在修复骨软骨缺陷方面显示出比PDCS组更好的效果，这可能与GMCS组支架中ADSCs的高存活率和骨软骨特异性蛋白表达水平有关。
本研究系统地评估了ADSCs在GMCS和PDCS中的行为差异，并揭示了GMCS在维持ADSCs干性、促进三系分化能力和提高组织工程应用效果方面的优越性。GMCS通过调节细胞-ECM相互作用，增强了ADSCs的功能和干性，这为GMCS在生物医学领域的应用提供了新的见解。此外，GMCS组构建的双层支架在骨软骨再生方面显示出比PDCS组更好的效果，这为GMCS在组织工程和再生医学中的应用提供了有力证据。
研究的临床意义与应用前景：
GMCS作为一种新型的细胞培养系统，其在维持干细胞干性、促进干细胞分化以及提高组织工程效果方面展现出巨大的潜力。GMCS的这些特性使其成为研究和应用干细胞治疗的理想平台，尤其是在骨软骨损伤修复和组织再生领域。此外，GMCS的仿生特性和对细胞微环境的精细调控能力，为研究细胞行为和干细胞分化机制提供了新的工具。随着生物材料科学和组织工程技术的进一步发展，GMCS有望在未来的临床治疗中发挥更加重要的作用。
研究的局限性与未来方向：
尽管本研究取得了一系列积极的结果，但仍然存在一些局限性。例如，GMCS的长期稳定性和生物相容性需要在更大规模的临床试验中进一步验证。此外，GMCS对不同类型干细胞的影响以及其在其他组织工程应用中的潜力，也需要进一步的研究。未来的研究可以集中在优化GMCS的材料组成和物理化学特性，以提高其在特定临床应用中的性能和效果。同时，探索GMCS在其他类型的组织再生和疾病模型中的应用，将有助于拓宽其在生物医学领域的应用范围。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2024.122616
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