3D（三維）細(xì)胞培養(yǎng)相較傳統(tǒng)的2D細(xì)胞培養(yǎng)，更真實(shí)地模擬細(xì)胞在體內(nèi)存活的環(huán)境特征，更好地反映細(xì)胞在體內(nèi)的生理狀態(tài)和細(xì)胞與細(xì)胞、細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)、細(xì)胞與器官之間的作用機(jī)制。3D細(xì)胞培養(yǎng)模型已應(yīng)用于諸多研究領(lǐng)域，比如神經(jīng)科學(xué)（腦科學(xué)）。3D神經(jīng)元培養(yǎng)模型，模擬細(xì)胞體內(nèi)生存的環(huán)境，保持細(xì)胞間的相互作用及更接近真實(shí)的生理生化反應(yīng)，成為研究神經(jīng)/神經(jīng)退行性疾病的一個(gè)重要手段。

天然大腦組織的彈性模量較低（30-500Pa），所以強(qiáng)度高、剛度大的材料不適合用于大腦軟組織器官的構(gòu)建。生物材料--水凝膠基質(zhì)被證實(shí)可用于腦類器官的培養(yǎng)，并為其自組裝提供營養(yǎng)環(huán)境。然而傳統(tǒng)水凝膠組分單一，機(jī)械性能差，無法有效模擬人體軟組織的力學(xué)行為。因此，尋找具備一定機(jī)械性能的水凝膠用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)3D培養(yǎng)模型的建立，具有迫切性和挑戰(zhàn)性。此外，腦細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）含有多種基質(zhì)組分，這些組分在基底膜、神經(jīng)元周圍基質(zhì)網(wǎng)絡(luò)和神經(jīng)間質(zhì)的諸多基質(zhì)內(nèi)有所不同，同樣可能對構(gòu)建3D神經(jīng)元培養(yǎng)模型產(chǎn)生一定影響。

 

德國維爾茨堡大學(xué)Carmen Villmann教授團(tuán)隊(duì)結(jié)合早期開發(fā)的PCL超細(xì)纖維框增強(qiáng)Matrigel 模型，合成配制一種基于硫醇化透明質(zhì)酸（HA-SH）的超軟基質(zhì)，并使用超微纖維框架（MEW）予以增強(qiáng)，建立了一種穩(wěn)定且可重復(fù)的纖維強(qiáng)化水凝膠模型（彈性模量95Pa）。這種纖維強(qiáng)化的HA-SH使得建立新的3D模型，用以研究神經(jīng)/神經(jīng)退行性疾病成為可能，如圖1所示。作者所使用的超微纖維框架，平均厚度為 141.4±5.7 μm，即單個(gè)poly(ɛ-caprolactone) (PCL)纖維層的空間允許水凝膠流動(dòng)滲透、神經(jīng)元細(xì)胞的突起生長（軸突和樹突）。
 

相關(guān)研究成果以“Reinforced Hyaluronic acid-based Matrices promote 3D Neuronal Network Formation”為題于2022年8月22日發(fā)表在《Advanced Healthcare Materials》上。

在二十多年研究進(jìn)程中，Matrigel已作為神經(jīng)科學(xué)中3D細(xì)胞培養(yǎng)的“金標(biāo)準(zhǔn)”基質(zhì)。本文研究者將Matrigel、Glycosi、藻酸鹽、以及自主合成的HA-SH進(jìn)行了多組比較（HA-SH是基于透明質(zhì)酸 (HA)與高分子量的聚（乙二醇）二丙烯酸酯 (PEGDA) 交聯(lián)而成）。

研究者將小鼠皮層神經(jīng)元從胚胎期 E15-17 中分離出來，分別接種到超微纖維框架增強(qiáng)的 Glycosil和Matrigel中，之后監(jiān)測神經(jīng)元細(xì)胞活力。此外，還向Glycosil中加入多種補(bǔ)充劑，監(jiān)測神經(jīng)元細(xì)胞活力的變化，然后又監(jiān)測在星形膠質(zhì)細(xì)胞存在的情況下，神經(jīng)元細(xì)胞活力的變化。經(jīng)過比較評估，發(fā)現(xiàn)Glycosil形式的透明質(zhì)酸不是Matrigel的可行替代品。之后作者又嘗試了藻酸鹽及其氧化形式的ADA和交聯(lián)明膠 (ADA-GEL)，以及纖維增強(qiáng)的HA-SH，發(fā)現(xiàn)星形膠質(zhì)細(xì)胞支持的 HA-SH最適合用于皮質(zhì)神經(jīng)元的培養(yǎng)。后續(xù)，研究者還分別測試了PCL-frame、HA-SH 和PCLframe/HA-SH三種框架以證實(shí)PCL 框架能夠有效增強(qiáng)HA-SH的穩(wěn)定性。同時(shí)免疫細(xì)胞染色分析，證明HA-SH與星形膠質(zhì)細(xì)胞層相結(jié)合，能夠顯著支持神經(jīng)元細(xì)胞存活，允許神經(jīng)元成熟和功能性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)形成。

在本次研究中，研究者使用zenCELL owl活細(xì)胞動(dòng)態(tài)成像及分析系統(tǒng)，對超細(xì)纖維加強(qiáng)的HA -SH中3D皮層神經(jīng)元和2D星形膠質(zhì)細(xì)胞的共培養(yǎng)，進(jìn)行間隔5分鐘、總時(shí)長兩天的實(shí)時(shí)監(jiān)測。監(jiān)測所得視頻（如視頻1、視頻2）表明了HA-SH同Glycosil和ADA-GEL環(huán)境中有著相同的細(xì)胞共培養(yǎng)行為，即在星形膠質(zhì)細(xì)胞存在的超微纖維框架增強(qiáng)的模型內(nèi)，星形膠質(zhì)細(xì)胞會(huì)從2D層遷移到水凝膠中，并朝向神經(jīng)元附近生長；而皮層神經(jīng)元形成樹突時(shí)會(huì)朝向星形細(xì)胞體生長。

視頻1:星形膠質(zhì)細(xì)胞及皮層神經(jīng)元在HA-SH中共培養(yǎng)(點(diǎn)擊圖片轉(zhuǎn)至環(huán)亞官網(wǎng)查看視頻）

綠色箭頭：星形膠質(zhì)細(xì)胞從2D層遷移到HA-SH中，并朝向神經(jīng)元附近；
黃色箭頭：皮層神經(jīng)元形成樹突并朝向星形膠質(zhì)細(xì)胞體；

視頻2:星形膠質(zhì)細(xì)胞及皮層神經(jīng)元在HA-SH中共培養(yǎng)(點(diǎn)擊圖片轉(zhuǎn)至環(huán)亞官網(wǎng)查看視頻）

綠色箭頭：星形膠質(zhì)細(xì)胞從2D層遷移到HA-SH中，并朝向神經(jīng)元附近；
黃色箭頭：皮層神經(jīng)元形成樹突并朝向星形膠質(zhì)細(xì)胞體；

本研究采用3D MEW框架增強(qiáng)HA-SH，與神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞構(gòu)建了一個(gè)可重復(fù)模型，為研究神經(jīng)和神經(jīng)退行性疾病的致病機(jī)制提供了一個(gè)新的選擇。

德國InnoME公司自主研發(fā)和生產(chǎn)的zenCELL owl活細(xì)胞動(dòng)態(tài)成像及分析系統(tǒng)，基于非標(biāo)記、非侵入方法，原位記錄細(xì)胞實(shí)時(shí)生長和定量的分析數(shù)據(jù)。zenCELL owl體積小巧，耐溫耐濕，可在細(xì)胞培養(yǎng)箱內(nèi)長時(shí)間連續(xù)工作；通過24個(gè)顯微成像鏡頭，對24個(gè)視野進(jìn)行連續(xù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測和圖像獲取。zenCELL owl為用戶提供高質(zhì)量圖像、視頻、統(tǒng)計(jì)學(xué)曲線和定量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞增殖／增殖抑制、細(xì)胞培養(yǎng)質(zhì)控／培養(yǎng)優(yōu)化、細(xì)胞形態(tài)變化、位置遷移／侵襲等諸多活細(xì)胞動(dòng)態(tài)過程的監(jiān)測。

環(huán)亞生物，生命科學(xué)產(chǎn)品全國性代理商，不斷把國外頂級的創(chuàng)新產(chǎn)品引入中國。環(huán)亞生物具備完善的公司運(yùn)營、產(chǎn)品管理、營銷、售前技術(shù)支持和售后維修體系。環(huán)亞生物作為zenCELL owl產(chǎn)品大中華區(qū)獨(dú)家代理商，負(fù)責(zé)zenCELL owl產(chǎn)品大中華區(qū)的營銷和售后支持。

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