中科院动物所顾奇&化学所王树组 | 可3D打印的新型聚噻吩水凝胶助力干细胞治疗

3D打印生物医疗
2021
06/04
16:16
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来源:上普生物

近期,来自中科院动物所顾奇研究员与中科院化学所王树研究员课题组在ACS Appl. Mater. Interfaces发表了文章题为“3D Bioprinting of Polythiophene Materials for Promoting Stem Cell Proliferation in a Nutritionally Deficient Environment”,团队制备了PMNT集成的明胶/藻酸盐生物墨水(Gel/Alg/PMNT)。通过使用上普生物3D打印设备将墨水与 hMSCs 结合使用,其中诱导性刺激 PMNT 可有效促进 hMSC 增殖,通过使用 Gel/Alg/PMNT 墨水的增强干细胞疗法进一步实现全层切除伤口的加速愈合。
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文章简介
包括胚胎干细胞 (ESCs)、诱导多能干细胞 (iPSCs) 和组织特异性内源性干细胞在内的干细胞在治疗各种疾病和损伤方面表现出突出的潜力。然而,由于缺乏支持细胞活动的 3D 结构导致细胞保留时间短,因此将干细胞直接移植到损伤或疾病部位并不可取。

为了解决这个问题,已经开发了多种水凝胶系统来提供 3D 支撑支架,用于保护移植细胞和增强细胞功能。尽管如此,大多数新兴水凝胶仍然存在透气性不良、没有精确的微观结构、营养扩散距离有限导致细胞活力低以及生物活性分子的复杂修饰等问题。

因此,设计具有改善透气性、促进细胞增殖和简化修饰方法的新水凝胶系统仍然是干细胞治疗的关键问题。
本项研究中,阳离子共轭聚噻吩衍生物 poly[3-(3'- N , N , N-三乙氨基-1'-丙氧基)-4-甲基-2,5-噻吩盐酸盐] PMNT 被整合到 3D 生物打印系统中,以促进无血清培养基中打印结构内的人类脐带间充质干细胞 (hMSC) 增殖,旨在克服营养扩散困难的问题,从而增强干细胞细胞疗法和加速伤口愈合过程。
下图显示了实验整个流程,通过静电相互作用将三种成分与 hMSCs 混合在一起,制备了 PMNT 集成的明胶/藻酸盐生物墨水(Gel/Alg/PMNT)。通过将 3D 生物打印策略与 hMSCs 结合使用,通过使用 Gel/Alg/PMNT 墨水的增强干细胞疗法进一步实现全层切除伤口的加速愈合,其中诱导性刺激 PMNT 可有效促进 hMSC 增殖。所开发的共轭聚合物墨水 Gel/Alg/PMNT 固有的高生物活性和强大的增殖促进性质显着克服了营养不足的环境,尤其是在 3D 打印大尺寸结构。生物活性聚噻吩材料表现出独特的能力,无需血清即可促进干细胞增殖,为组织重建中的 3D 生物打印提供了一种新的生物墨水。
据研究者称,这是第一个表明阳离子共轭聚合物应用在生物3D打印领域并增强组织工程中的干细胞疗法的研究案例,尤其是在加速伤口愈合方面。
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研究主要成果
PMNT在无血清培养基中对hMSC增殖的促进作用:PMNT 通过驱动细胞周期从 G1 期过渡到 S 期和增加主要在内质网中的碳代谢来促进 hMSC 增殖。

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Gel/Alg/PMNT墨水的材料特性和可打印性:为了证明墨水的可打印性,各种3D结构包括三角形,正方形,圆形,半太极结构通过上普生物3D打印机打印,其具有精确的微结构,良好的自支撑能力,并且明显的界限。这些结果表明,Gel/Alg/PMNT 墨水打印性良好,可作为生物墨水进行3D打印。
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研究采用上普生物3D打印机打印材料
(点击上图了解最新设备细节)
Gel/Alg/PMNT墨水的生物相容性与促进细胞增殖能力:培养 3 天后,Gel/Alg/PMNT 墨水内 90% 以上的 hMSCs 保持存活。研究证明Gel/Alg/PMNT表现出更好的生物相容性和细胞增殖促进能力。将 PMNT 引入 Gel/Alg 确实促进了细胞的生长和增殖,增加了有效的生物打印深度,并克服了 3D 打印结构中营养不足的环境。

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Gel/Alg/PMNT墨水在体内加速全层伤口愈合:通过将打印结构移植在小鼠全层切除伤口处,治疗 15 天后,Gel/Alg/PMNT 组的伤口基本愈合,而对照组的伤口在伤后第 18 天愈合,证实了较高的Gel/Alg/PMNT 组的愈合率。此外,Gel/Alg/PMNT 在第18天创伤后处理的再生创伤组织的组织学上显示的完整的上皮再形成。这些发现证明了 Gel/Alg/PMNT 墨水包裹的 hMSCs在体内加速伤口愈合的出色能力。
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Gel/Alg/PMNT墨水加速愈合机理:Gel/Alg/PMNT 墨水可以在愈合过程中上调胶原蛋白生成并促进角质形成细胞增殖,从而实现快速伤口愈合。

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Gel/Alg/PMNT墨水在体内的生物降解性:通过实验证明:(1)hMSC 封装的 3D 生物打印结构可以成功地定位在伤口部位而不会掉落,(2)植入的 hMSC 可以在伤口部位存活 6-9 天,(3) Gel/Alg/PMNT 墨水可以提高封装的 hMSCs 的细胞活性,进一步证明其优异的生物活性。随着植入时间从3天延长到7天和14天,植入的支架随着时间的推移逐渐降解。

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总结
阳离子PMNT可以通过驱动细胞周期和上调生物合成和代谢途径中的基因表达来促进无血清培养基中的hMSC增殖。研究开发了生物活性 PMNT 集成的生物墨水Gel/Alg/PMNT,Gel/Alg/PMNT 墨水打印的 3D 结构可以加速体内伤口愈合。由于 PMNT 的诱导刺激,产生更多的胶原蛋白并促进细胞增殖。Gel/Alg/PMNT 的发展意味着一种简单有效的生物活性分子修饰方法,并显着克服了 3D 打印大型结构中营养不足的环境。为此,本项研究实现了生物墨水的先进设计策略,并证实了增强干细胞疗法在组织重建应用中的应用,尤其是在加速伤口愈合方面。随着该方法的进一步改进,有望提高生物相容性、结构和机械性能,以更好地与干细胞结合用于再生组织治疗。

参考文献
Zhao, H., Xu, J., Zhang, E., Qi, R., Huang, Y., Lv, F., Liu, L., Gu, Q. and Wang, S., 2021. 3D Bioprinting of Polythiophene Materials for Promoting Stem Cell Proliferation in a Nutritionally Deficient Environment. ACS Applied Materials & Interfaces.


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