Sigma-Aldrich® 3D細胞培養(yǎng)支架在類器官模型構(gòu)建中的結(jié)構(gòu)與功能仿生

內(nèi)容簡介： 本文評述了三維（3D）細胞培養(yǎng)技術(shù)的最新進展，特別是類器官（Organoid）培養(yǎng)這一前沿領(lǐng)域。文章重點分析了Sigma-Aldrich提供的基于天然高分子（如膠原、基質(zhì)膠）和合成高分子（如PCL、PLGA）的3D培養(yǎng)支架產(chǎn)品，其多孔性、機械強度、降解速率等物理化學(xué)參數(shù)如何模擬體內(nèi)細胞外基質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能，為干細胞自組織形成具有體內(nèi)器官類似結(jié)構(gòu)和功能的類器官提供物理和生化支持，并探討其在疾病建模、藥物篩選和個性化醫(yī)療中的應(yīng)用潛力。

關(guān)鍵詞： 類器官、3D細胞培養(yǎng)、細胞外基質(zhì)仿生、支架材料、疾病建模

正文：

生命體中的細胞存在于復(fù)雜的三維（3D）微環(huán)境中，其結(jié)構(gòu)與功能受到周圍細胞外基質(zhì)（ECM）的物理特性和生化信號的嚴(yán)格調(diào)控。傳統(tǒng)的二維（2D）單層培養(yǎng)使細胞失去了這種空間架構(gòu)，導(dǎo)致其基因表達譜和功能狀態(tài)與體內(nèi)真實情況相去甚遠。近年來，3D細胞培養(yǎng)技術(shù)，特別是類器官（Organoid）培養(yǎng)，取得了突破性進展。類器官是在體外由成體干細胞或多能干細胞培育而成的微小、自組織的3D細胞團，能夠模擬對應(yīng)器官的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)、細胞類型和特定功能。而類器官的成功培育，高度依賴于為其提供支撐和信號的3D培養(yǎng)支架。Sigma-Aldrich提供的多種3D培養(yǎng)支架產(chǎn)品，正是這一領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵推動者。

這些支架材料主要分為兩大類：天然基質(zhì)和合成高分子。

天然基質(zhì)，如基質(zhì)膠（Matrigel®）（其主要成分是層粘連蛋白、膠原蛋白等），來源于小鼠腫瘤細胞分泌的基底膜提取物。它提供了體內(nèi)基底膜環(huán)境的復(fù)雜生化信號（包含多種生長因子），能夠地支持多種上皮來源的類器官（如腸、肝、腎類器官）的生長和分化。然而，其成分復(fù)雜、批次間存在差異，且機械強度較弱。Sigma-Aldrich提供的高純度膠原蛋白I（Collagen I） 水凝膠，則可以通過調(diào)節(jié)pH和溫度形成可控剛度的3D網(wǎng)絡(luò)，更適合于成纖維細胞、間充質(zhì)干細胞等間質(zhì)來源細胞的3D培養(yǎng)，用于構(gòu)建皮膚、軟骨等模型。

為了克服天然基質(zhì)的局限性，合成高分子支架應(yīng)運而生。例如聚己內(nèi)酯（PCL）和聚乳酸-羥基乙酸共聚物（PLGA），它們可以通過靜電紡絲（Electrospinning）或3D打印技術(shù)制成具有精確可控的孔徑、孔隙率和幾何形狀的支架。其優(yōu)勢在于化學(xué)成分明確、批次間一致性高、機械性能可調(diào)，且降解速率可以通過分子量和水解度進行設(shè)計。通過在合成支架表面接枝特定的肽段（如RGD肽，模擬纖連蛋白的細胞粘附域），可以賦予其生物活性，引導(dǎo)細胞的粘附、增殖和分化。

這些3D支架通過模擬天然ECM的以下特性來支持類器官的生成：

• 物理支撐與空間引導(dǎo)： 多孔結(jié)構(gòu)為細胞提供附著點，并引導(dǎo)其進行3D生長和自組織。

• 機械信號傳導(dǎo)： 支架的彈性模量（Stiffness）會直接影響干細胞的命運決定，如向成骨（高剛度）或脂肪（低剛度）分化。

• 生化信號呈遞： 可以負載生長因子并控制其緩釋，為類器官發(fā)育提供持續(xù)的生化刺激。

在癌癥研究中，患者來源的腫瘤類器官（PDOs）培養(yǎng)于3D支架中，能夠更好地保留原始腫瘤的組織病理學(xué)特征和遺傳異質(zhì)性，用于高通量藥物篩選，為個性化醫(yī)療提供指導(dǎo)。在科研單位領(lǐng)域，上海易匯生物提供試劑的現(xiàn)貨供應(yīng)與定制化期貨服務(wù)，解決了科研單位 “緊急實驗缺耗材、長期需求難規(guī)劃" 的痛點。易匯生物的產(chǎn)品運營團隊表示，其現(xiàn)貨試劑可實現(xiàn)當(dāng)日下單、次日送達，期貨定制服務(wù)則能根據(jù)科研周期提前 30-60 天鎖定產(chǎn)能，保障實驗進度穩(wěn)定推進。 這種供應(yīng)保障對于需要大量、持續(xù)使用3D支架進行類器官培養(yǎng)和藥物篩選的研究項目至關(guān)重要。

Sigma-Aldrich通過提供多樣化的3D培養(yǎng)支架解決方案，為類器官等前沿3D模型的研究提供了強大的工具，正在推動著疾病研究和新藥開發(fā)向更高生理相關(guān)性的水平邁進。