华南理工大学边黎明教授团队《Biomaterials》: 主客体动态水凝胶促进胚胎干细胞在长期三维培养中的增殖和干性保持

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胚胎干细胞（ESCs）具有在未分化状态下自我更新和分化为所有类型成体细胞的能力，因此是细胞基础研究的重要工具，也在生物医学应用领域具有巨大潜力。然而，现有的胚胎干细胞二维培养方式很难满足在细胞的长期培养增殖中保持其未分化状态和全能干性。而相比之下，三维细胞培养支架例如水凝胶，可以通过模拟细胞外基质（ECM）的生物物理和生化特性，更好地支持细胞的长期增殖和干性保持。尽管现有的一些研究表明，柔软且可降解的水凝胶更有利于胚胎干细胞的增殖，但很少有研究考察水凝胶基质的结构动力学对ESC行为的影响。

图1. (a) GelCD水凝胶的动态主客体交联结构及GelMA水凝胶的共价交联结构示意图；(b) GelCD水凝胶的动态网络可以动态适应mESC细胞团生长的显著体积膨胀，而GelMA水凝胶中的静态致密的共价交联限制了mESC细胞团的增大的示意图。

华南理工大学边黎明教授团队通过环糊精与明胶芳香残基的主客体超分子相互作用，制备了一种基于明胶的细胞适应性动态水凝胶体系（GelCD）（图1）。与硬度和生物降解性均一致的共价交联明胶水凝胶（GelMA）相比，GelCD水凝胶显著促进了三维培养的小鼠胚胎干细胞（mESCs）的克隆扩增，并更好地保持了水凝胶中胚胎干细胞的干性（图2）。此外，与传统二维培养方法相比，在GelCD水凝胶中培养的mESCs也在长期培养期间更好地保持了干性（图3）。在GelCD水凝胶中长时间培养两个多月后，mESCs仍可保持其正常克隆形态以及完全分化能力。此外，抑制基质金属蛋白酶（MMP）介导的水凝胶降解并不影响GelCD水凝胶中mESC的克隆扩增，这表明GelCD水凝胶网络的内在动力学在支持三维培养的mESC扩增中起着关键作用。

图2.在GelCD和GelMA水凝胶中的mESCs在三维培养的第2、4和7天的代表性明场细胞图像以及第7天的活/死染色图像。

这一发现强调了水凝胶三维网络的结构动力学能够对胚胎干细胞团生长中发生的体积膨胀起关键的调节作用。该动态水凝胶是小鼠胚胎干细胞长期三维培养的极具潜力的新型培养系统。

图3. 在GelCD三维培养中的胚胎干细胞团与传统二维培养中的胚胎干细胞团对比

该研究成果以“Dynamic gelatin-based hydrogels promote the proliferation and self-renewal of embryonic stem cells in long-term 3D culture.”为题发表于Biomaterials。第一作者为香港中文大学的徐夏忆博士，通讯作者为华南理工大学的边黎明教授。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142961222004422

课题组简介：华南理工大学边黎明教授：长江学者特聘教授、博士生导师。主要致力于可应用于促进受损伤/病变人体组织/器官修复与再生的新型水凝胶支架生物料的开发。围绕现有的用于组织工程的水凝胶还具有生物诱导性不足、缺乏生物活性因子微观尺度呈递优化、缺乏细胞尺度的动态结构、不能有效支持干细胞力学感知及细胞相互作用、限制细胞/组织三维发展等各类问题，近5年内在Science Translational Medicine, Nature Communications, Science Advances, JACS, Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Nano letters, ACS Nano, Macromolecules, Biomaterials, Small, ACS Central Science等国际高质量期刊上以通讯作者身份发表论文60余篇。

课题组主页：

https://www.x-mol.com/groups/bian_lab?lang=en

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