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  近日，斯坦福工程師們成功地將軟骨樣細(xì)胞和間充質(zhì)干細(xì)胞裝入3D水凝膠。

  據(jù)悉，這是一種快速形成組織梯度水凝膠作為具有生化和物理特性可調(diào)的3D細(xì)胞生態(tài)位方式。當(dāng)密閉在硬度梯度水凝膠中時，軟骨細(xì)胞和間充質(zhì)干細(xì)胞都顯示出帶狀特異性的反應(yīng)和細(xì)胞外沉積，這可模擬了關(guān)節(jié)軟骨組織的區(qū)域構(gòu)成。使用blebbistatin阻斷細(xì)胞機(jī)械感應(yīng)消除了具有硬度梯度的3D水凝膠中的軟骨細(xì)胞帶狀區(qū)反應(yīng)。這樣的組織大小的梯度水凝膠可以提供3D人造細(xì)胞生態(tài)位，從而使各種組織類型能夠打印帶狀結(jié)構(gòu)或者組織接觸面。

  研究人員研發(fā)了各種策略進(jìn)行具有梯度信號的生物材料的制備，并作為細(xì)胞的生態(tài)位，例如靜電紡絲，模塊化水凝膠體系，激光掃描光刻，對流擴(kuò)散，微流體以及融合預(yù)制化微球。然而，這些策略中的絕大部分通常需要冗長的制造過程或者使用非細(xì)胞友好性的試劑，這不能夠保證可通過均勻方式進(jìn)行細(xì)胞封存的組織標(biāo)尺的梯度生物材料的制造。因此，在三維空間中，梯度生態(tài)位置如何影響細(xì)胞介導(dǎo)的組織形成，在很大程度上尚未可知。此外，雖然最近的研究在針對力學(xué)信號（如基質(zhì)的硬度）在調(diào)節(jié)各種細(xì)胞命運（包括細(xì)胞的增殖和分化）的作用上取得了突破，但是激活或者阻斷機(jī)械感應(yīng)如何影響3D組織中細(xì)胞命運和ECM的形成仍有待研究。

  為了將帶狀結(jié)構(gòu)設(shè)計為工程軟骨，一種策略是將軟骨細(xì)胞進(jìn)行模式分類，從有不同區(qū)域帶狀特異性表型的軟骨細(xì)胞，到不同層化的軟骨細(xì)胞。利用連續(xù)的光聚合，多層水凝膠可以從不同的區(qū)域中被分離出來，并被封裝在不同的層中，以更好地模擬體內(nèi)帶狀結(jié)構(gòu)。另一種策略是利用單一的細(xì)胞來源，利用多層的水凝膠，利用不同的生化和機(jī)械性能，進(jìn)行基質(zhì)特征的模式歸類。
  在介導(dǎo)細(xì)胞命運和組織形成方面，生物化學(xué)和物理的特征都發(fā)揮了重要作用。間質(zhì)干細(xì)胞(MSCs)和一種被包裹在多層支架上的軟骨細(xì)胞表現(xiàn)出帶狀特異性的分化，這些多層支架具有空間變化的基質(zhì)組分和機(jī)械特征。雖然上述的策略已經(jīng)改善了用均勻的水凝膠獲得的工程軟骨的帶狀結(jié)構(gòu)，但獲得的組織顯示出了獨特的層，而原生軟骨則以連續(xù)的梯度方式過渡。此外，由于界面上的水凝膠硬度的不連續(xù)性，層間界面往往是脆弱的，容易受到機(jī)械應(yīng)力的影響下分離。

  與多層水凝膠相反，仿生梯度水凝膠在生物化學(xué)和/或機(jī)械特征上具有連續(xù)的變化，從而在在體內(nèi)可更精確的模擬組織連接和帶狀結(jié)構(gòu)形成。為了來更好地模擬骨和軟骨接觸面，進(jìn)行MSCs在3D空間中的帶狀特異性分化的誘導(dǎo)，容納可溶性因子梯度的水凝膠通過含有不同梯度的重組人骨形態(tài)發(fā)生蛋白2（rhBMP-2）和胰島素生長因子（rhIGF-1）的微球體所制造出來。
  另外，還制備了不同基質(zhì)硬度的水凝膠，并使用發(fā)育信號誘導(dǎo)區(qū)域依賴性的MSC分化。還使用具有生物化學(xué)特征的聚丙烯酰胺（PAAM）水凝膠來制備含有不溶性基質(zhì)梯度（例如,硬度）的水凝膠。此外，還開發(fā)了一種基于微流體的方法，制備雙梯度聚乙二醇(PEG)水凝膠，其包含了化學(xué)和物理梯度，但這種微尺度平臺不適合用于臨床空間上制造組織大小的梯度水凝膠。

  雖然細(xì)胞在體內(nèi)的3D生態(tài)位存留，但以前的報告主要局限于2D研究。目前研究的目的是開發(fā)一種細(xì)胞兼容性好的方法，用于制造組織大小的梯度水凝膠作為3D細(xì)胞特征，從而指導(dǎo)帶狀結(jié)構(gòu)的軟骨再生。
  他們假設(shè)具有硬度梯度的水凝膠將會誘導(dǎo)封存細(xì)胞在3D空間中產(chǎn)生帶狀特異性反應(yīng)，并且通過梯度水凝膠中新沉積的組織來模擬本身關(guān)節(jié)軟骨的帶狀結(jié)構(gòu)。為了測試這個假設(shè)，將新生的牛軟骨細(xì)胞或者人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞密閉在3D梯度水凝膠中7或21天。使用機(jī)械測定、定量基因表達(dá)、生化檢驗和組織學(xué)來評價梯度水凝膠中新形成組織的情況。

  論文鏈接：http://www.genengnews.com/gen-exclusives/3d-hydrogels-for-tissue-specific-cartilage-repair/77900950