杨志谋课题组研发一种能够高效制备癌细胞类器官的超分子多肽水凝胶

在组织工程和再生医学中，细胞球比单分散细胞或单层培养细胞更具优势。例如，研究表明，细胞球可以通过提高细胞存活率、增加生长因子的分泌和保持细胞多能性来提高干细胞的治疗效果。对于肿瘤细胞，由于生理相关的形态学和空间排列，细胞球体在药物筛选方面也比2D培养细胞获得更准确的结果。3D肿瘤细胞球可以模拟肿瘤和微环境的几个重要特征，包括表型异质性、生长动力学和细胞间相互作用。此外，2D培养的肿瘤细胞通常显示出比天然肿瘤更低的化疗或放疗抗性。但现有技术中的细胞球存在一系列问题，比如细胞活性低、细胞干性不能维持等，上述问题的出现常与生产细胞球体的材料有关。在已报道的用于生产细胞球体的材料中，水凝胶使用最广泛，因为它们与天然细胞外基质(ECM)有相似之处。现有技术中水凝胶分为天然水凝胶和合成水凝胶两种类型，但是天然水凝胶存在诸如成分不明确、稳定性不一致以及潜在的抗原性和免疫原性风险等缺点（例如市售Matrigel）；合成水凝胶则存在成本高、制备工艺复杂、生物相容性不完善等问题（例如PEG、藻酸盐和PuraMatrix等），这些问题严重阻碍了其广泛应用和临床转化。因此，现有技术中缺少一种制备工艺简单、能够维持细胞球活性的水凝胶材料。

针对以上问题，南开大学杨志谋课题组设计并合成了一种用于细胞球培养的短肽超分子水凝胶（SupraGel）。SupraGel 的机械强度可以通过改变短肽的浓度轻松调整，使其适用于培养不同类型的细胞球体。由于SupraGel内部纤维网络是由非共价相互作用而形成，因此它们表现出典型的剪切变稀和自恢复行为，这有助于细胞与凝胶均匀混合以及分离细胞球。研究人员还在多肽序列中引入一个D构型的氨基酸，可能会减少细胞与基质之间的相互作用，从而促进自发细胞球的形成。经过测试，SupraGel能够有效培养细胞球。癌细胞MCF-7和4T1在SupraGel中培养七天后，能够长成平均截面积分别为4610和11450 mm²的细胞球体（图1）。 

图1 (a)球体形成和提取的流程图；(b)、(d)分别为MCF-7和4T1细胞培养1、3和7天后所形成的细胞球体与球体的横截面积分布；(c)、(e)分别为培养7天后，从SupraGel中获取的MCF-7和4T1细胞球体的死活染色结果；右侧部分显示了绿色和红色荧光的相应面积或积分密度。

肠道干细胞（ISCs）在SupraGel中培养15天后能够长成平均截面积为10000 mm²的细胞球（图2）。免疫荧光结果显示，与Matrigel中相比，SupraGel中的细胞球Lgr5表达量较高，CK20表达量较低，这表明SupraGel在细胞球形成过程中帮助维持了ISCs的干性(图2c)，其原因可能是由于单纯多肽组成的SupraGel中没有各类生长因子。

图2 (a) 培养1、4和15天后具有代表性的肠道干细胞(ISC)细胞球体；右侧部分显示了球体的横截面积分布。(b) 从凝胶中获取的培养15天后ISC细胞球体的死活染色结果；右侧部分显示了绿色和红色荧光的相应面积或积分密度。(c) 对在Matrigel和凝胶中培养了7天的ISC球体上Lgr5 和 CK20 marker 的免疫荧光染色结果。

细胞球在SupraGel中长期培养期间能够保持活力和活性，并且能够通过加入PBS并重悬从凝胶中分离出来，用于后续可能的实验，在细胞治疗、再生医学和药物筛选方面具有巨大的应用潜力。

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Ai, et al. A SupraGel for efficient production of cell spheroids. Science China Materials. https://doi.org/10.1007/s40843-021-1951-x