關鍵字

組織工程;組合方法;水凝膠;腳手架;分化;多能幹細胞;間充質幹細胞

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基質剛度和生物活性信號分子濃度等外在因素在幹細胞譜係選擇和成熟過程中起著重要作用[1-4]。然而，用於支持幹細胞分化的細胞外基質的選擇往往是基於方便性和最初的有利結果，而沒有考慮進一步基質修飾的能力或容易程度，以便更好地促進分化到所需的譜係或組織類型。合理設計人工細胞外基質來調節幹細胞行為，更好地指導譜係選擇和成熟，將提高衍生協議的效率和組織形成。這些改進將增加幹細胞治療和組織工程治療進入臨床的數量，並有可能提高它們的療效。

環境條件的微小變化可對幹細胞行為和分化產生較大影響[1,2,5]。這意味著每一個想要的譜係和組織工程應用可能需要它自己的優化矩陣，這是一個重大的任務。由於缺乏關於有多少生物材料的特性和合並的生物活性信號分子的濃度影響幹細胞行為的知識，這些優化變得更加困難。由於物種[6]和細胞分化狀態之間的細胞反應可能會發生變化[7,8]，這使得情況更加複雜。這表明，為了引導細胞從多能狀態到最終分化狀態，可能需要優化多個或動態矩陣。為了解決這些問題，並致力於優化能夠引導幹細胞到所需的譜係和組織的材料，需要更廣泛地采用係統性的基質設計方法。組合方法長期應用於製藥行業，通過係統研究提供了減少基質優化時間的潛力，並被應用於檢查幹細胞-生物材料的相互作用。

雖然有許多組合方法存在，但很少有適合應用於三維培養。盡管這些方法中應用於生物材料開發的較少[1,9,10]，但連續梯度法提供了一種係統優化幹細胞培養生物材料的直接方法。由於樣本中存在範圍內的每一種可能的測試條件，幹細胞對測試條件變化的反應可以迅速識別出來。然後可以快速調整測試範圍，以更深入地研究感興趣的區域。由於幹細胞在研究開始前通常不知道細胞反應的確切性質和發生的範圍，因此能夠迅速改變研究範圍是一個顯著的優勢。最近的一項研究檢查了IKVAV(一種從層粘連蛋白中分離出來的生物活性肽)對小鼠胚胎幹細胞在二維和三維培養中的神經分化的影響，注意到感興趣的濃度範圍發生了顯著的變化，並開始進行IKVAV濃度的一半的三維研究，以提供更大的分辨率對新的感興趣的區域[1]。

該研究中使用的連續梯度水凝膠平台提供了幹細胞的二維和三維培養之間的輕鬆過渡，對梯度樣品的製作變化最小。然而，由於細胞因子和拴係生物活性因子在兩種培養類型之間的擴散、濃度和持久性的變化，細胞在二維培養和三維培養之間的胞外環境發生了顯著變化。細胞環境的這些差異可以導致幹細胞反應的顯著變化，正如他們在Yang和同事[1]的研究中所做的那樣。二維和三維培養在幹細胞培養中都是有用的，需要更詳細地研究，以了解它們所提供的細胞環境的差異如何導致細胞行為的變化。二維培養將基質與細胞的接觸限製在一個平麵內，類似於傳統細胞培養。這種環境對沿襲派生協議是有利的，因為它允許很容易地隔離用於排序和進一步處理的單元。在細胞周圍進行三維培養，可以更好地模擬體內環境，這對於新生組織的形成和某些細胞類型的成熟都是必要的。

在不同條件下培養的細胞之間的串擾可以顯著影響細胞行為。連續梯度水凝膠平台提供了調節樣品條件之間的細胞串擾的能力。樣品可以整個培養，這樣就可以接觸到梯度中所有位置的細胞分泌的細胞因子，或者分離培養，這樣就可以接觸到幾乎類似條件下的細胞分泌的細胞因子。一項關於人類間充質幹細胞譜係選擇的研究發現，當可用的細胞串擾以這種方式調節[11]時，成骨和成脂分化有顯著差異。研究發現，通過梯度自由接觸細胞因子有利於成脂分化，而有限的細胞因子接觸促進成骨分化。本研究表明，分泌細胞因子通路應該是這些研究中一個重要的設計考慮因素，因為它對幹細胞的實驗結果有重要影響。

在過去的幾十年裏，我們對幹細胞生物學的理解有了很大的進步。通常很難記起不久以前，細胞外基質還被認為是生物惰性的。因此，人工細胞外基質試圖解決的許多生物學問題都是相對較新的，基質設計的考慮正在迅速變化。這裏討論的係統方法是強大的工具，將進一步加快這一進程。它們將突出重要的矩陣設計考慮因素，並說明細胞和矩陣之間的關係，以前不知道和不考慮，因為它們增加了知識的基礎。隨著我們對幹細胞生物學和幹細胞基質相互作用的理解加深，我們將成功地操縱幹細胞，實現再生醫學和組織工程的崇高承諾，治愈我們中的許多人的疾病。

參考文獻

1. Yang YH, Khan Z, Ma C, Lim HJ, Smith Callahan LA(2015)利用連續il - lys - val - ala - val濃度梯度官能化水凝膠優化小鼠胚胎幹細胞神經分化的粘附條件。生物材料學報21:55-62。［Ref。］
2. Smith Callahan LA, Ma Y, Stafford CM, Becker ML(2013)小鼠ESC在初級胺衍生表麵的濃度依賴性神經分化和神經突延伸。生物科學1:537-544。［Ref。］
3. Engler AJ, Sen S, Sweeney HL, Discher DE(2006)基質彈性指導幹細胞譜係規範。細胞126:677 - 689。［Ref。］
4. Smith LA，劉旭，胡傑，馬小平(2010)納米纖維支架促進人胚胎幹細胞成骨分化。生物材料31:5526 - 5535。［Ref。］
5. Smith LA，劉旭，胡娟，王萍，馬小平(2009)納米纖維促進小鼠胚胎幹細胞成骨分化。組織工程a15: 1855-1864。［Ref。］
6. Yan Y, Martin LM, Bosco DB, Bundy JL, Nowakowski RS，等(2015)脫細胞胚胎基質對多能幹細胞增殖和神經分化的差異影響。生物材料73:231 - 242。［Ref。］
7. 馬偉，Tavakoli T, Derby E, Serebryakova Y，饒MS，等(2008)細胞-細胞外基質相互作用調節人胚胎幹細胞神經分化。BMC Dev Biol 8: 90。［Ref。］
8. Rozario T, DeSimone DW(2010)細胞外基質在發育和形態發生中的動態觀點。Dev Biol 341: 126- 140。［Ref。］
9. Lam J, Carmichael ST, Lowry WE, Segura T (2015) iPSC-NPC培養水凝膠優化實驗方法的水凝膠設計。Adv health Mater 4: 534-539。［Ref。］
10. Dolatshahi-Pirouz A, Nikkhah M, Gaharwar AK, Hashmi B, Guermani E, et al.(2015)誘導人間充質幹細胞成骨分化的組合細胞負載凝膠微陣列。科學報告4。［Ref。］
11. Smith Callahan LA, Policastro GM, Bernard SL, Childers EP, Boettcher R，等(2013)在RGD濃度梯度水凝膠中離散和連續培養條件對人間充質幹細胞譜係選擇的影響。Biomacromolecules14: 3047 - 3054。［Ref。］

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引用:Smith Callahan LA(2016)通過基質優化引導幹細胞分化。Int J Stem Cell Res 2(1): doi http://dx.doi.org/10.16966/ 2472-6990.e102

版權:©2016 Smith Callahan LA。這是一篇開放獲取的文章，根據創作共用署名許可協議(Creative Commons Attribution License)發布，該協議允許在任何媒體上不受限製地使用、分發和複製，前提是注明原作者和來源。

出版的曆史:

收到日期:08年2月2016年

接受日期:09年2月2016年

發表日期:2016年2月15日