Nature Communications：准确调控细胞在3D多孔生物资料支架中机械呼应的新办法

清华年夜学医学院生物医学工程系、清华-北年夜性命迷信结合中间杜亚楠研讨组于Nature Communications 《天然 通信》在线揭橥了题为“Cryoprotectant enables structural control of porous scaffolds for exploration of cellular mechano-responsiveness in 3D”的研讨论文。该研讨初次应用冰冻维护剂，对3D多孔生物支架资料的孔径和硬度完成了自力和准确的调控，并零碎探求了成纤维细胞和巨噬细胞关于资料孔径和硬度的机械呼应特点和相干机制，为基于仿生3D多孔支架资料中的生物力学和研讨供给了无力对象，为准确掌握细胞3D微情况的物理特征供给了实际和施行根底。

近年来生物力学范畴的疾速成长已证实生物基质资料的物理特征（如硬度）是组成细胞微情况的主要特征，对细胞表型和功效（如粘附、增殖、迁徙、分化、遗传和表不雅等）的调控至关主要。今朝关于生物资料的生物力学研讨局限于2D立体资料或仅具有孔的3D水凝胶，虽然3D年夜孔生物支架资料在和中普遍使用，至今尚未能对其停止零碎性的生物力学研讨，这是因为年夜孔支架资料最次要的两个物理特征即支架的孔径和硬度平日互相联系关系，今朝的制备手腕（如静电纺丝、冷冻枯燥、致孔剂）很难对两者停止自力调控以完成单平生物力学特征调控细胞行动的深化研讨。

本研讨中，杜亚楠传授课题组发明引入冰冻维护剂（如DMSO、甘油、甲醇）可对冰晶发展完成无效调控，并应用这一特征完成了关于多孔支架资料孔径与硬度的自力调控。研讨者发明，在冷冻进程中，跟着冰晶发展，反响液相中的DMSO被不时稀释，招致液相凝结点逐步下降最终致使冰晶停滞发展。实际和试验数据均标明，最后反响液中的DMSO浓度可决议最终构成冰晶的年夜小。基于此道理，经过调控交联剂和冰冻维护剂的用量，可制备出源自各类原料组分（如明胶，通明质酸/明胶复合资料），孔径规模在20-80 μm，微不雅硬度规模在20-190kPa的可自力、准确调控孔径和硬度的3D多孔支架资料。

本研讨开辟的此种复杂易行的多孔支架制备办法，使得零碎研讨资料构造和硬度对细胞机械呼应成为了能够。成纤维细胞和巨噬细胞是在发展发育、炎症反响、毁伤修复等心理病理进程中发扬主要感化的两类细胞，其关于细胞外基质生物力学性质的呼应关于病理研讨及植入资料设计都具有主要意义。体外研讨发明，人真皮成纤维细胞在年夜孔径-较高硬度（80μm， 190 kPa）的资料中出现出更激活的形态（例如：高表达αSMA），且资料力学和构造性质经过影响转录因子YAP的定位来调控成纤维细胞机械呼应。巨噬细胞平日可极化为促炎症反响的M1型细胞和促毁伤修复的M2型细胞。研讨发明小鼠骨髓起源巨噬细胞在小孔径-较低硬度 (30 μm， 20 kPa)的资料中，偏向于极化为M1表型。相反，在年夜孔径-高硬度资料中，巨噬细胞出现M2型特点。响应的，在小鼠体内皮下植入实验中，植入小孔径-低硬度资料，会引诱更多炎性细胞如M1型巨噬细胞及中性粒细胞浸润，出现出明显的促炎后果；在小鼠体内皮肤修复模子中，植入年夜孔径-高硬度资料关于皮肤修复愈合速度和纤维化的增进感化最分明，标明关于毁伤修复的增进后果。

研讨团队进一步摸索了多孔支架资料孔径对细胞表型调控的潜在机制。发明可经过调控培育液浸透压年夜小模仿分歧孔径对细胞发生的空间物理限制。在高渗情况下，通俗2D培育和3D年夜孔径培育的成纤维细胞和巨噬细胞都出现出在3D小孔资料中的表型。标明资料孔径对细胞的机械调控和由孔径发生的物理限制 (physical confinement）有关。

本研讨初次应用冰冻维护剂调控冰晶发展，从而在多孔生物支架资料中完成了孔径和硬度的自力、准确调理。体外和体内试验都验证了多孔支架孔径和硬度关于细胞机械呼应的调控。以上研讨成果为3D多孔生物支架资料的生物力学研讨供给了无效平台，同时对换控3D细胞微情况的物理特征和关于其在范畴中的临床使用供给了新的设计思绪。(100yiyao.com）