賓夕法尼亞大學《AM》:可編程變形水凝膠指導細胞圖案及網絡組裝
2020-07-10 高分子水凝膠【背景摘要】
細胞與細胞外基質（ECM）之間的作用力和相對運動對於組織在發育過程中的自組織至關重要。但是，在工程方法中可以控制這些動力學的空間範圍是有限的，這阻礙了構造大型，結構成熟的組織的進展。在此，賓夕法尼亞大學Alex J. Hughes教授團隊在6月國際材料頂級期刊《Advance Materials》描述了可合理控制多細胞網絡的形狀和大小的稱為「kinomorphs」的形變水凝膠材料。Kinomorphs是ECM薄片，可根據其中的細胞收縮模式改變其形狀，大小和密度。該研究題為「Guiding Cell Network Assembly using Shape-Morphing Hydrogels」。
研究表明，這些變化可以同時操縱許多空間位置上皮細胞的結構形成行為。Kinomorphs是使用新的光刻技術構建的，可將單個細胞圖案化並比先前描述的大10倍。這些模式旨在部分模擬胚胎腎臟上皮網絡的分支幾何形狀。然後，模擬來預測kinomorph形狀的變化。最後，形態動力學提供了一個釐米級的程序，該程序設置了特定的空間位置，通過細胞合併和結構成熟，形成了直徑約50 µm的上皮小管。通過在新興的類系統（如類器官）中擴展細胞自組織的空間範圍，該類晶體可以顯著促進器官尺度組織的構建。
【圖文解析】
MDCK細胞是一種功能完善的模型系統，它是腎小管衍生的細胞系家族。在某些3D培養條件下，MDCK形成球狀或隨機定向的小管，通過定義不同的頂端（面向內腔）和基底側而變腔（形成內部腔）。實現此目的的一種方法是設置支架的起始組成和幾何形狀，在其中利用ECM的細胞重塑來創建空間應變模式（圖1A）。這些應變模式將增加編程位置中的細胞密度，導致細胞融合（凝聚），同時還實現了局部ECM光纖募集，這被認為可以促進多尺度細胞網絡的組裝。接著將載有光反應性二苯甲酮-甲基丙烯醯胺共聚單體的30 µm厚的4％聚丙烯醯胺水凝膠片聚合到載玻片上（圖1B）。通過光掩模施加254 nm的光，然後將未修飾的ssDNA寡核苷酸拴在凝膠上和凝膠內，特徵尺寸低至10 µm（圖1C）。可以通過空間配準在同一張幻燈片上執行多鏈的連續模式化，以指導不同細胞群體的粘附。圖案化的DNA量和在pDPAC底物上的細胞捕獲效率都隨圖案化的DNA中的紫外線劑量或胸腺嘧啶鹼基的比例而增加（圖1D）。
圖1. 形狀可變的ECM材料包含用於在空間上控制上皮網絡形成的光刻細胞圖案。
隨著大規模細胞圖案化方法的到位，作者試圖編碼將促進MDCK腎小管生成的摺痕網絡。簡而言之，需要（1）將pDPAC細胞圖案嵌入ECM板的設備，（2）上皮網絡的參考幾何結構作為設計目標，（3）模型來預測如何模擬參考幾何結構的摺痕網絡會從ECM工作表中出現。對於該設備：作者創建了一個大型流通池設備，該設備將兩個 「2×3」 pDPAC基板夾在相隔≈250µm的距離內（圖 2A）。流動槽可在聚丙烯醯胺的頂部和底部表面均具有細胞圖案，在將凝膠前體混合物置於其中後，細胞將從細胞圖案轉移到膠原蛋白I-Matrigel ECM片中。然後將ECM片材（稱為kinomorph）進行解剖和培養以進行實時成像。對於該模型：作者創建了一個自定義摺紙模擬器，以使摺痕網絡的空間變換能夠進行實時原型製作（圖2B）。通過測量「Hausdorff距離」驗證模擬器與它創建從體外摺疊kinomorphs的共聚焦顯微鏡圖像生成的那些網格3D之間。「最高閃光器」設計具有從單個邊緣發出的山地和山谷網絡。這些網絡分叉的概率與在胚胎小鼠輸尿管上皮的分支層次結構的較寬範圍內觀察到的概率大致相似（圖2C）。閃光器的最高摺痕也通過旋轉動力學一起塌陷，隨著摺痕靜止角度的增加，旋轉動力學沿任何給定的徑向方向產生相似的「整體應變」（圖2D）。選擇了摺痕系列後，開始將閃光摺痕網絡轉換為單元模式。首先創建了「摺痕塊」，即在各向異性網格圖案中設置了20 µm直徑的ssDNA特徵集。每個特徵都代表一個掩膜位置，在該位置上DNA沉積在pDPAC基板上，因此細胞被圖案化（圖2E）。
圖2.大型模型指導的kinomorphs設計和生產。
由於細胞簇在親核形態摺疊過程中融合，因此作者接下來想知道這對沿親核形態壓實區域的細胞和ECM密度有何影響（圖 4A）。回到整個kinomorph規模，細胞網絡跨越了直至≈3cm的摺痕網絡的路徑（圖4B）。此外，在類似的「摺疊度」下的摺紙模擬在很大程度上反映了奇諾形摺痕之間的相對空間關係。例如，腎小管的方向分布顯示了kinomorph和模擬之間的高度對應關係，而由「無向」自由浮動ECM片材中的MDCK球狀體陣列形成的腎小管沒有顯示任何方向偏好（圖4C）。作者試圖測試摺痕微環境是否適合MDCK小管的結構成熟。約50％的MDCK+摺痕長度的柱狀MDCK小管帶有適當定位的F-肌動蛋白（頂端）和E-鈣黏著蛋白（橫向）極性標記，以及沿基底ECM界面分布的3T3（圖4D）。值得注意的是，這些小管沿著指定幾何形狀的工程奇諾形變摺痕形成，形成的空間比例要比目前3D列印可獲得的小5至20倍。最後，膠原蛋白I纖維沿這些小管的基底表面排列，並與細胞內的肌動蛋白應激纖維共取向，這可能意味著緊密區域的ECM提示與那裡的上皮自組織之間存在緊密的聯繫（圖4E）。
圖4. Kinomorphs在緊密的摺痕處指導上皮的自我組織和結構成熟。
【總結陳述】
總而言之，科研工作者們相信kinomorphs將作為動態組織工程工作的可定製框架。Kinomorphs提供了一種有用的工程策略，可以控制從單個細胞到接近整個器官的上皮組織的長度尺度。
【通訊簡介】
Alex Hughes，現任賓夕法尼亞大學（賓大）工程與應用科學學院生物工程助理教授，賓大佩雷爾曼醫學院細胞與發育生物學第二把手，賓大生物工程研究小組成員，細胞與分子生物學研究組成員（發育，幹細胞和再生生物學計劃）。博士後在加州大學舊金山分校任Jane Coffin Childs研究員（導師：Zev Gartner教授），研究生在加州大學伯克利分校（導師：Amy Herr教授），本科在紐西蘭奧克蘭大學。Alex對學習控制在成年組織建立胚胎中發生的圖案化過程特別感興趣，通過開發新的細胞成像，組織構造，軟材料和微型工程技術來解決這一問題。Alex發表超過12篇論文，包括多篇Nature子刊及知名專業期刊。
課題組網頁:
https://alexhugheslab.com/people
原文連結：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202002195
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