類器官作為三維多細胞構建體，可以構建出相應組織和器官的部分結構和功能特征。通常，類器官的生長和發(fā)育需要水凝膠等基質材料提供適當?shù)奈h(huán)境。

生物活性陶瓷因生物活性、高生物相容性和出色的可調節(jié)特性，在組織工程和再生醫(yī)學領域被廣泛應用。生物活性陶瓷材料可調控水凝膠的力學性能，其釋放的離子可通過多種信號通路調節(jié)干細胞的功能。因此，利用生物陶瓷材料改進水凝膠體系，有望開發(fā)出適用于類器官培養(yǎng)和功能化的基質材料。

近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員吳成鐵和特聘研究員呂宏旭團隊，在生物陶瓷材料復合水凝膠用于支持類器官培養(yǎng)、生長發(fā)育和功能化的研究中取得進展。該團隊開發(fā)出由硅酸鹽生物活性陶瓷硅酸鈣（CS）納米線和甲基丙烯酸明膠（GelMA）組成的復合水凝膠，通過添加一定比例的基質膠進行優(yōu)化，可使其成為培養(yǎng)腸道和肝臟類器官的基質材料。這一復合水凝膠對類器官的生長和功能化具有促進作用，同時，CS納米線釋放的生物活性離子對維持干細胞穩(wěn)態(tài)和自我更新至關重要，證實了生物陶瓷材料在類器官培養(yǎng)中的應用潛力。

研究發(fā)現(xiàn)，由于CS納米線釋放的生物活性離子以及納米線對水凝膠基質機械強度的調控作用，CS/GelMA復合水凝膠支持小鼠腸道類器官的生長和發(fā)育。CS/GelMA復合水凝膠培養(yǎng)的腸道類器官顯示出與基質膠培養(yǎng)的類器官相近的生長和發(fā)育特征，如分化細胞類型的表達、類器官功能及傳代培養(yǎng)的能力等。此外，研究顯示，CS納米線釋放的生物活性離子能夠促進腸道類器官發(fā)育的關鍵信號通路Wnt/β-catenin傳導，并提高葡萄糖吸收和ATP代謝活性，成為CS納米線促進類器官發(fā)育的關鍵機制。

進一步，該工作證明了CS/GelMA復合水凝膠能夠支持小鼠肝臟類器官的發(fā)育以及培養(yǎng)出的肝臟類器官表現(xiàn)出與正常小鼠肝臟相似的結構和功能特征，表明該水凝膠在類器官培養(yǎng)中具有一定的適用性。

該研究制備了可用于支持腸道和肝臟類器官生長發(fā)育的硅酸鹽復合水凝膠，探討了硅酸鹽活性材料促進類器官生長和功能化的作用與生物學機制，為以硅酸鹽為代表的生物陶瓷材料在類器官研究的應用奠定了基礎。

相關研究成果以A bioactive calcium silicate nanowire-containing hydrogel for organoid formation and functionalization為題，發(fā)表在Materials Horizons上，并申請發(fā)明專利一項。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國科學院穩(wěn)定支持基礎研究領域青年團隊計劃、上海市基礎研究特區(qū)計劃和上?！皳P帆計劃”等的支持。

論文鏈接

CS/GelMA復合水凝膠用于支持類器官的生長和發(fā)育

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