3D(三维)细胞培养相较传统的2D细胞培养,更真实地模拟细胞在体内存活的环境特征,更好地反映细胞在体内的生理状态和细胞与细胞、细胞与细胞外基质、细胞与器官之间的作用机制。3D细胞培养模型已应用于诸多研究领域,比如神经科学(脑科学)。3D神经元培养模型,模拟细胞体内生存的环境,保持细胞间的相互作用及更接近真实的生理生化反应,成为研究神经/神经退行性疾病的一个重要手段。
天然大脑组织的弹性模量较低(30-500Pa),所以强度高、刚度大的材料不适合用于大脑软组织器官的构建。生物材料--水凝胶基质被证实可用于脑类器官的培养,并为其自组装提供营养环境。然而传统水凝胶组分单一,机械性能差,无法有效模拟人体软组织的力学行为。因此,寻找具备一定机械性能的水凝胶用于中枢神经系统3D培养模型的建立,具有迫切性和挑战性。此外,脑细胞外基质(ECM)含有多种基质组分,这些组分在基底膜、神经元周围基质网络和神经间质的诸多基质内有所不同,同样可能对构建3D神经元培养模型产生一定影响。
德国维尔茨堡大学Carmen Villmann教授团队结合早期开发的PCL超细纤维框增强Matrigel 模型,合成配制一种基于硫醇化透明质酸(HA-SH)的超软基质,并使用超微纤维框架(MEW)予以增强,建立了一种稳定且可重复的纤维强化水凝胶模型(弹性模量95Pa)。这种纤维强化的HA-SH使得建立新的3D模型,用以研究神经/神经退行性疾病成为可能,如图1所示。作者所使用的超微纤维框架,平均厚度为 141.4±5.7 μm,即单个poly(ɛ-caprolactone) (PCL)纤维层的空间允许水凝胶流动渗透、神经元细胞的突起生长(轴突和树突)。
图1
相关研究成果以“Reinforced Hyaluronic acid-based Matrices promote 3D Neuronal Network Formation”为题于2022年8月22日发表在《Advanced Healthcare Materials》上。
在二十多年研究进程中,Matrigel已作为神经科学中3D细胞培养的“金标准”基质。本文研究者将Matrigel、Glycosi、藻酸盐、以及自主合成的HA-SH进行了多组比较(HA-SH是基于透明质酸 (HA)与高分子量的聚(乙二醇)二丙烯酸酯 (PEGDA) 交联而成)。
研究者将小鼠皮层神经元从胚胎期 E15-17 中分离出来,分别接种到超微纤维框架增强的 Glycosil和Matrigel中,之后监测神经元细胞活力。此外,还向Glycosil中加入多种补充剂,监测神经元细胞活力的变化,然后又监测在星形胶质细胞存在的情况下,神经元细胞活力的变化。经过比较评估,发现Glycosil形式的透明质酸不是Matrigel的可行替代品。之后作者又尝试了藻酸盐及其氧化形式的ADA和交联明胶 (ADA-GEL),以及纤维增强的HA-SH,发现星形胶质细胞支持的 HA-SH最适合用于皮质神经元的培养。后续,研究者还分别测试了PCL-frame、HA-SH 和PCLframe/HA-SH三种框架以证实PCL 框架能够有效增强HA-SH的稳定性。同时免疫细胞染色分析,证明HA-SH与星形胶质细胞层相结合,能够显著支持神经元细胞存活,允许神经元成熟和功能性神经网络形成。
在本次研究中,研究者使用zenCELL owl活细胞动态成像及分析系统,对超细纤维加强的HA -SH中3D皮层神经元和2D星形胶质细胞的共培养,进行间隔5分钟、总时长两天的实时监测。监测所得视频(如视频1、视频2)表明了HA-SH同Glycosil和ADA-GEL环境中有着相同的细胞共培养行为,即在星形胶质细胞存在的超微纤维框架增强的模型内,星形胶质细胞会从2D层迁移到水凝胶中,并朝向神经元附近生长;而皮层神经元形成树突时会朝向星形细胞体生长。
视频1:星形胶质细胞及皮层神经元在HA-SH中共培养(点击图片转至环亚官网查看视频)
绿色箭头:星形胶质细胞从2D层迁移到HA-SH中,并朝向神经元附近;
黄色箭头:皮层神经元形成树突并朝向星形胶质细胞体;
视频2:星形胶质细胞及皮层神经元在HA-SH中共培养(点击图片转至环亚官网查看视频)
绿色箭头:星形胶质细胞从2D层迁移到HA-SH中,并朝向神经元附近;
黄色箭头:皮层神经元形成树突并朝向星形胶质细胞体;
本研究采用3D MEW框架增强HA-SH,与神经元和星形胶质细胞构建了一个可重复模型,为研究神经和神经退行性疾病的致病机制提供了一个新的选择。
zenCELL owl活细胞动态成像及分析系统
德国InnoME公司自主研发和生产的zenCELL owl活细胞动态成像及分析系统,基于非标记、非侵入方法,原位记录细胞实时生长和定量的分析数据。zenCELL owl体积小巧,耐温耐湿,可在细胞培养箱内长时间连续工作;通过24个显微成像镜头,对24个视野进行连续的动态监测和图像获取。zenCELL owl为用户提供高质量图像、视频、统计学曲线和定量数据,实现细胞增殖/增殖抑制、细胞培养质控/培养优化、细胞形态变化、位置迁移/侵袭等诸多活细胞动态过程的监测。
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adhm.202201826
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