新型聚合物凝胶 可在三维空间中培养细胞

嵌段共聚物在冷冻时卷成球状分散在液态水中(上图)。当温暖时，球体融合为长蠕虫状，相互作用形成柔软的水凝胶(下...

生物学家们有了一种新的易变蛋白质凝胶替代物，用于在三维空间中培养细胞：一种聚合物凝胶不仅可支撑细胞生长，而且当温度降低时，很容易地从凝胶态转换为液态，方便细胞收集。(Biomacromolecules 2015, DOI: 10.1021/acs.biomac.5b01266).

在2012年英国考文垂的一次讲座中，哈佛大学的George M. Whitesides教授想出了动物蛋白质基水凝胶的一种合成替代物，比如用于三维生长细胞的Matrigel基质胶。三维基体生长的细胞比二维细胞能更好地代表体内组织。蛋白质基凝胶的批次重现性差，Whitesides教授说，细胞生物学家需要每次都具有相同细胞生长环境的水凝胶。

谢菲尔德大学Steven P. Armes的研究小组刚刚制备了温度响应的合成凝胶，他意识到这种凝胶可能会是现有Matrigel基质胶的替代品。

后来他们开始合作研究新的凝胶是否会支撑三维细胞培养。

Arme的凝胶是嵌段共聚物构成，共价键连接的两种不同聚合物：聚甘油单甲基丙烯酸酯(PGMA)和聚2-羟丙基丙烯酸酯(PHPMA)。PGMA是水溶性，而PHPMA是疏水性。在水中，链的疏水端聚集在一起，根据温度的不同变换形状。在冰箱温度(4°C)，共聚物形成球形纳米粒子，在水中保持悬浮。在室温(25°C)以上，球形粒子融合形成非常长的蠕虫状结构，缠结形成柔软的水凝胶。从温暖时的凝胶到冷却后的液态转变是完全可逆的。研究人员很快发现这种低成本的聚合物会形成无需动物蛋白的均匀凝胶，对于一些应用是必需的，如人体医疗。此外，研究人员可以通过降低温度恢复支架上的细胞，从而避免破坏性酶的使用。

为了测试这种“蠕虫凝胶”，Whitesides教授研究小组将蠕虫状凝胶和老鼠肺癌细胞一同嵌入到，聚酯网中间的厚聚氯乙烯片。当细胞在三维胶体中生长时，细胞通过透气网接触空气和营养物质。

最初测试后，该团队需要一种更强的凝胶。于是，聚合物化学家们将二硫基加入到水溶性链中，最终引起邻近蠕虫凝胶的结合并强化凝胶。

在二硫基强化的凝胶中，细胞生长了12天，即使没有任何生长因子和Matrigel基质胶中的粘附蛋白。12天之后，通过在冰箱中冷藏蠕虫状细胞一个小时，研究者们恢复了91%的细胞。而生长在Matrigel基质胶中的细胞需要降解酶清洗来恢复所有细胞。

华盛顿大学的Buddy D. Ratner仍旧不看好用这种凝胶来取代Matrigel基质胶，但认为它简单的热可逆性和可预测性结构可能会有助于组织工程和癌症研究。

Armes和他的研究团队正在设计新一代蠕虫凝胶，不仅应用于细胞培养，还可用于其他生物学需要。“我们只是需要更多的细胞生物学家告诉我们他们所遇到的问题，这样我们可以试着解决这些问题，”他说。

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