用于模擬腦微環(huán)境的3D打印透明質酸基載細胞支架

供稿人:裴娜、王玲
供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

由于腦腫瘤對全世界人類健康的巨大威脅，因此了解極其復雜的人腦微環(huán)境對于腦腫瘤研究以及治療藥物的開發(fā)至關重要。研究發(fā)現(xiàn)了腫瘤微環(huán)境（尤其是ECM）在多形性膠質母細胞瘤（GBM）進展和侵襲中起關鍵作用，然而潛在的分子機制仍然不清楚。因此，建立體外腫瘤模型可能是研究腫瘤相關細胞和周圍細胞外基質分子之間相互作用的一種可能方法，這首先需要以載正常腦細胞的水凝膠支架的形式模擬腦微環(huán)境。因此，通過用于腦腫瘤研究的3D生物打印技術制造體外腦微環(huán)境模型是首要任務。

浙江大學流體動力與機電系統(tǒng)國家重點實驗室的科研人員基于氣動擠壓的3D生物打印系統(tǒng)來構建兩種最常見的模型結構，一種是多層網(wǎng)格矩陣，另一種是單層固體膜，在含有透明質酸（HA）、明膠（GA）、海藻酸鈉（SA）的生物墨水中包裹人類神經(jīng)膠質細胞（HEBs）以構建模擬腦基質微環(huán)境的模型。以探究生物墨水的配方以及明膠濃度對具有不同結構的支架的模擬腦基質微環(huán)境模型的機械和生物學特性的影響。

圖1 載細胞支架打印過程的示意圖

研究人員通過改變生物墨水中明膠的濃度獲得三種生物墨水。含有1.5%HA+1.5%SA的生物墨水命名為0GA, 含有1.5%HA+1.5%SA+3.75%GA的生物墨水命名為3.75%GA, 含有1.5%HA+1.5%SA+7.5%GA的生物墨水命名為7.5%GA。研究人員通過SEM圖像來研究和比較生物墨水多孔結構的形成，并使用組織學蘇木精-伊紅染色來觀察生物墨水中HEBs的形態(tài)。從結果中可以看出，當生物墨水不含明膠時，水凝膠形呈片狀結構，并顯示出更致密的結構，支架內的HEBs顯示出緊密的粘附和連接。隨著明膠濃度的增加，水凝膠的微結構呈現(xiàn)明顯的多孔和網(wǎng)狀。并且支架內的細胞顯示出更分散的分布，并且沿著在微結構中形成的網(wǎng)狀纖維的方向定向生長，這也解釋了在含有明膠的生物模型中細胞具有較高的存活能力。

此外，研究人員利用死活染色觀察人類神經(jīng)膠質細胞在具有不同結構和不同成分的生物支架中的生存力，以比較明膠的影響以及兩種結構對細胞生存力的影響。

圖2 人類神經(jīng)膠質細胞在打印1天之后在（a）單層固體膜和（b）多層網(wǎng)格結構(比例尺1mm)（c）單層固體膜和（d）多層網(wǎng)格結構(比例尺500μm)中的死活染色結果圖（e）在打印后第1、7和14天，五個測試組中的細胞存活率（f）培養(yǎng)14天后五個測試組中細胞增殖率。

結果表明，與不含明膠且在長期培養(yǎng)中被打印成單層固體膜結構的生物模型相比，適當濃度的明膠可以增強打印結構的穩(wěn)定性，并且多層網(wǎng)格結構可以增大細胞獲取營養(yǎng)物和氧氣的表面積，從而多層網(wǎng)格結構可以增強細胞的存活率，并且，在五種測試組中，細胞的存活率都維持在85%以上，說明本文構建的模型適合細胞的生長。

參考文獻：
Ma, L., et al., 3D bioprinted hyaluronic acid-based cell-laden scaffold for brain microenvironment simulation. Bio-Design and Manufacturing, 2020. 3(3): p. 164-174.