用于模拟脑微环境的3D打印透明质酸基载细胞支架

供稿人:裴娜、王玲
供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室

由于脑肿瘤对全世界人类健康的巨大威胁，因此了解极其复杂的人脑微环境对于脑肿瘤研究以及治疗药物的开发至关重要。研究发现了肿瘤微环境（尤其是ECM）在多形性胶质母细胞瘤（GBM）进展和侵袭中起关键作用，然而潜在的分子机制仍然不清楚。因此，建立体外肿瘤模型可能是研究肿瘤相关细胞和周围细胞外基质分子之间相互作用的一种可能方法，这首先需要以载正常脑细胞的水凝胶支架的形式模拟脑微环境。因此，通过用于脑肿瘤研究的3D生物打印技术制造体外脑微环境模型是首要任务。

浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室的科研人员基于气动挤压的3D生物打印系统来构建两种最常见的模型结构，一种是多层网格矩阵，另一种是单层固体膜，在含有透明质酸（HA）、明胶（GA）、海藻酸钠（SA）的生物墨水中包裹人类神经胶质细胞（HEBs）以构建模拟脑基质微环境的模型。以探究生物墨水的配方以及明胶浓度对具有不同结构的支架的模拟脑基质微环境模型的机械和生物学特性的影响。

图1 载细胞支架打印过程的示意图

研究人员通过改变生物墨水中明胶的浓度获得三种生物墨水。含有1.5%HA+1.5%SA的生物墨水命名为0GA, 含有1.5%HA+1.5%SA+3.75%GA的生物墨水命名为3.75%GA, 含有1.5%HA+1.5%SA+7.5%GA的生物墨水命名为7.5%GA。研究人员通过SEM图像来研究和比较生物墨水多孔结构的形成，并使用组织学苏木精-伊红染色来观察生物墨水中HEBs的形态。从结果中可以看出，当生物墨水不含明胶时，水凝胶形呈片状结构，并显示出更致密的结构，支架内的HEBs显示出紧密的粘附和连接。随着明胶浓度的增加，水凝胶的微结构呈现明显的多孔和网状。并且支架内的细胞显示出更分散的分布，并且沿着在微结构中形成的网状纤维的方向定向生长，这也解释了在含有明胶的生物模型中细胞具有较高的存活能力。

此外，研究人员利用死活染色观察人类神经胶质细胞在具有不同结构和不同成分的生物支架中的生存力，以比较明胶的影响以及两种结构对细胞生存力的影响。

图2 人类神经胶质细胞在打印1天之后在（a）单层固体膜和（b）多层网格结构(比例尺1mm)（c）单层固体膜和（d）多层网格结构(比例尺500μm)中的死活染色结果图（e）在打印后第1、7和14天，五个测试组中的细胞存活率（f）培养14天后五个测试组中细胞增殖率。

结果表明，与不含明胶且在长期培养中被打印成单层固体膜结构的生物模型相比，适当浓度的明胶可以增强打印结构的稳定性，并且多层网格结构可以增大细胞获取营养物和氧气的表面积，从而多层网格结构可以增强细胞的存活率，并且，在五种测试组中，细胞的存活率都维持在85%以上，说明本文构建的模型适合细胞的生长。

参考文献：
Ma, L., et al., 3D bioprinted hyaluronic acid-based cell-laden scaffold for brain microenvironment simulation. Bio-Design and Manufacturing, 2020. 3(3): p. 164-174.