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負(fù)載細(xì)胞的可注射性絲酸水凝膠
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胞載水凝膠在組織工程和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中具有巨大的潛力。它們的主要功能是模擬細(xì)胞在體內(nèi)所處的自然環(huán)境，為細(xì)胞提供三維（3D）的培養(yǎng)和控制方法。胞載水凝膠已被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，包括細(xì)胞傳遞、疾病建模以及為患者定制的工程組織的開發(fā)。理想的胞載水凝膠應(yīng)具備以下特點(diǎn)：高生物相容性：以確保不會(huì)引發(fā)不良的免疫反應(yīng)；良好的力學(xué)性能：其強(qiáng)度應(yīng)與設(shè)計(jì)用于替代的特定組織相匹配；有效的物質(zhì)傳輸能力：以確保營養(yǎng)物質(zhì)和廢物能夠充分?jǐn)U散；適當(dāng)?shù)目山到庑裕阂栽试S新組織逐漸取代水凝膠結(jié)構(gòu)。通過滿足這些標(biāo)準(zhǔn)，胞載水凝膠可以為細(xì)胞提供理想的生長環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)更有效的組織再生和醫(yī)學(xué)應(yīng)用。 源自蠶繭的絲素蛋白是一種天然的蛋白質(zhì)，因其卓越的機(jī)械性能、良好的生物相容性和可降解性而備受科學(xué)家們的青睞。絲素蛋白水凝膠是通過在特定化學(xué)或物理?xiàng)l件下，絲素蛋白自組裝而形成的。然而，之前的研究顯示，絲素蛋白水凝膠的形成通常需要在非生理?xiàng)l件下進(jìn)行，如高溫、低酸度環(huán)境、有機(jī)溶劑、交聯(lián)劑等，或者需要經(jīng)歷如渦流和超聲處理等處理方式。這些條件往往會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞相容性的降低，從而限制了絲素蛋白水凝膠作為載有細(xì)胞的生物材料的應(yīng)用。 正因?yàn)榻z素蛋白具有上述獨(dú)特的特性，越來越多的科學(xué)家們開始關(guān)注其在胞載水凝膠領(lǐng)域的應(yīng)用研究。西湖大學(xué)郭成辰研究員提出了一種基于絲酸的可注射的細(xì)胞負(fù)載水凝膠系統(tǒng)，絲酸是天然絲素蛋白的羧化衍生物，在生物醫(yī)學(xué)中表現(xiàn)出有前景的應(yīng)用。研究成果以“Injectable Cell-Laden Silk Acid Hydrogel”為題于2023年11月29日在線發(fā)表在《Chemical Communications》（IF 4.9）上。 在這項(xiàng)工作中，作者首先利用一步修飾反應(yīng)在絲蛋白上進(jìn)行高效的羧基化改性，通過改變修飾反應(yīng)條件，絲酸（SA）的羧基化修飾程度可以被精確控制，且最高的修飾程度可達(dá)9.5 %。隨后，將SA溶解在HEPES溶液（pH7.4，這是細(xì)胞培養(yǎng)基中使用的相同緩沖液）中，并在37 ℃下孵育，觀察到了SA水凝膠的自發(fā)形成。相比之下，未經(jīng)改性的絲蛋白在相同的條件下并沒有表現(xiàn)出形成水凝膠的特性。SA水凝膠在完成凝膠化過程后，變得不透明，與絲素蛋白水凝膠類似。通過傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)酰胺I的峰值從1645 cm-1變?yōu)榱?620 cm-1，這表明在自組裝過程中形成了β-折疊結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，β-折疊結(jié)構(gòu)會(huì)轉(zhuǎn)化成半結(jié)晶結(jié)構(gòu)，這就是導(dǎo)致SA水凝膠的光透射率降低的原因。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SA的自組裝形成水凝膠需要在37 ℃下反應(yīng)大約36小時(shí)。相比之下，在相同的條件下，絲素蛋白溶液的吸光度保持較低，這表明自組裝程度微乎其微。 作者研究了緩沖液和pH值對(duì)SA自組裝的影響。發(fā)現(xiàn)SA在各種緩沖液中均可自組裝，但pH值對(duì)其影響顯著。在弱酸性環(huán)境中，SA無法在三天內(nèi)自組裝成水凝膠；而提高pH值可加速其自組裝過程，在弱堿性環(huán)境中約24小時(shí)內(nèi)可完成凝膠化。此外，足夠的離子強(qiáng)度對(duì)SA的凝膠化是必要的，最佳的NaCl濃度為75-300 mM，與生理水平一致。圓二色光譜（CD）和傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）進(jìn)一步證明了SA在溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過程中二級(jí)結(jié)構(gòu)的變化。隨著自組裝的發(fā)展，219nm的帶開始出現(xiàn)并逐漸增強(qiáng)，表明二級(jí)結(jié)構(gòu)向β-折疊結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。這些結(jié)果證實(shí)了SA的自組裝是由隨機(jī)線圈結(jié)構(gòu)向β-折疊結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變所致。 作者同時(shí)還研究了SA在溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過程中的流變性質(zhì)。在最初的12小時(shí)內(nèi)，SA保持溶液狀態(tài)，模量低于1 Pa。培養(yǎng)24小時(shí)后，模量增加到約100 Pa，表明發(fā)生了凝膠狀態(tài)。48小時(shí)后，儲(chǔ)能模量達(dá)到約1000 Pa的平臺(tái)期。值得注意的是，SA水凝膠的模量遠(yuǎn)低于絲纖維蛋白水凝膠的模量，這可能是由于SA水凝膠中β-折疊結(jié)構(gòu)含量較低。此外，SA水凝膠具有剪切稀化和可注射性，粘度在高的應(yīng)變下降低，而在小的應(yīng)變下迅速恢復(fù)到凝膠狀態(tài)。這使得SA水凝膠容易通過21號(hào)針頭擠壓出來。這些流變性質(zhì)表明，SA水凝膠具有很好的生物相容性和可加工性，可用于細(xì)胞培養(yǎng)和生物打印等領(lǐng)域。 SA水凝膠在3D細(xì)胞培養(yǎng)方面具有巨大潛力，支持三種不同細(xì)胞系（L929，HUVEC和rBMSCs）的存活和生長。細(xì)胞在SA水凝膠中的存活率高達(dá)95%，同時(shí)支持細(xì)胞體積擴(kuò)張、生長和增殖。注射測(cè)試表明，SA水凝膠能夠保護(hù)細(xì)胞免受剪切力的傷害，所有細(xì)胞系在注射后24小時(shí)的存活率均超過90%。因此，SA水凝膠有望成為細(xì)胞承載生物打印的生物墨水。 原文鏈接： https://doi.org/10.1039/D3CC04280D |
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