堪萨斯州立大学：生物打印肽水凝胶，无需光、化学或离子交联剂

【摘要】

人类诱导多能干细胞 (hiPSC) 用于药物发现、疾病建模，并显示出巨大的人体器官再生潜力。与传统的单层 (2D) 方法相比，3D 培养方法已被证明是一种先进的方法。最近，堪萨斯州立大学王东海教授，孙秀芝教授（美国国家发明家科学院院士）团队报道了一种自愈通用肽水凝胶，用于制造生理形成的 hiPSC 球体。将 100 000 个 hiPSC 封装在 500 µL 水凝胶中，在 5 天内生成 ≈50 000 个球体 mL-1（直径 20–50 µm）。

通用肽水凝胶中的球体是有活力的 (85-96%)，并基于多种生物标志物显示出优异的多能性和分化潜力。电池性能受水凝胶降解性的影响，但不受凝胶强度的影响。无需借助紫外线或可见光或化学品进行印后交联，使用通用肽水凝胶生物墨水，各种图案可以轻松地从简单的星形挤压成肾状器官形状，显示出可接受的可打印性。一张 20.0 × 20.0 × 0.75 mm3 的薄片最终印有封装 hiPSC 的通用肽水凝胶生物墨水并培养了多天，hiPSC 球体在生理上形成并保持良好。相关论文以题为Universal Peptide Hydrogel for Scalable Physiological Formation and Bioprinting of 3D Spheroids from Human Induced Pluripotent Stem Cells发表在《Advanced Functional Materials》上。

【主图导读】

图1 肽水凝胶（PGmatrix 和 PGmatrix-M）具有可调特性。

图2 与传统的 2D 方法相比，PGmatrix 水凝胶显示出优越的 hiPSC 维护。

图3 ASC-hiPSCs 在 3D PGmatrix 水凝胶中长期培养期间保持多能性。

图4 与基于 3D PEG 的水凝胶相比，3D PGmatrix 水凝胶中的 hiPSC 显示出优异的特性。A) ASC-hiPSCs 在含有 mTESR1 (0.5 PG-mT) 的 3D PGmatrix (0.5%) 中比在含有 E8 培养基 (Mebiol-E8) 的 3D Mebiol 凝胶中生长得更好。

示意图1 3D PGmatrix 水凝胶中 hiPSC 生长和多能性维持的拟议机制。细胞通过分泌蛋白酶作为基质降解酶和 ECM 蛋白来积极改变周围的 3D 微环境。这些修饰通过细胞间接触（E-钙粘蛋白）和旁分泌信号分子促进细胞迁移和信号传导。除了可溶性因子信号外，来自细胞-基质或细胞-细胞粘附的物理（机械强度）线索影响肌动蛋白-肌球蛋白细胞骨架并通过 Hippo 途径发送信号，最终影响机械敏感 YAP/TAZ 基因的表达，以调节和维持 hiPSC 的增殖和多能性，以实现 hiPSC 的长期维持。GPCRs——G蛋白偶联受体和RTKs——受体酪氨酸激酶。

图5 PGmatrix-M 作为生物墨水的可印刷性和 hiPSCs 性能。A) PGmatrix-M 在不同浓度下的打印分辨率。B) i) 喷嘴尺寸、ii) 打印头移动速度和 iii) 打印压力对 PGmatrix-M bioink 可打印性的影响。C)不同图案的生物打印 PGmatrix-M 结构 (3%)。比例尺。5 毫米。D)在 1.5% PGmatrix-M (1.5 PG-M) 中培养的 ASC-hiPSC 与在 0.5% PGmatrix (0.5 PG) 中培养的那些相比，在多能性相关基因中没有表现出主要的表达模式差异。E) PGmatrix-M 构建体在有或没有 hiPSCs 的情况下保持稳定至少 6 天（在第 6 天之前破坏构建体以收集细胞以进行进一步分析）。

图6 生物打印过程并未显着影响封装在 PGmatrix-M bioink 水凝胶中的 ASC-hiPSC 的生长性能。

【总结】

用于高效生理形成 hiPSC 球体的最佳 3D 培养条件和可调通用肽水凝胶 (PGmatrix-M) 已开发，具有一致的细胞生长（15-25 倍）和高于 95% 的高细胞活力和稳定的遗传完整性。在测试范围内，hiPSCs 的生长性能与 PGmatrix 或 PGmatrix-M 的机械（即强度和粘度）和形态（即孔径）特性显着无关。PGmatrix 和 PGmatrix-M 都是用于自我更新细胞如 hiPSCs 3D 培养（单细胞或球体）和长期维护的优质支架水凝胶；然而，PGmatrix-M 表现出大规模凝胶强度、高粘度和快速自愈动力学，适用于通过移液或生物打印来生理形成 hiPSCs 球体，无需光、化学或离子交联剂。挤出生物打印后 hiPSC 的存活率为 96%，细胞活力在 0 和 24 小时时高于 94%，这表明 PGmatrix-M 在打印过程中为 hiPSC 提供了最大的保护。PGmatrix-M 具有 hiPSC 的潜力，可用于下游应用的工业规模单细胞或球体制造。该研究表明，细胞的凝胶降解能力强烈有利于 hiPSC 的生长性能，推测这种关系与 Hippo 信号通路和机械敏感性 YAP/TAZ 通路有关。肽水凝胶是 PGmatrix 还是 PGmatrix-M 提供的化学或生物线索也可归因于 hiPSC 的生长仍有待研究。

参考文献：

doi.org/10.1002/adfm.202104046

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