《Small》马里兰大学何晓明：透明质酸的核壳水凝胶

【介绍】

人类诱导多能干细胞 (iPSC) 是开发个性化医疗的理想选择。然而，人类 iPSC 在传统 2D 和 3D 培养下的自发分化会导致显着的异质性和质量受损。因此，迫切需要一种有效分离和扩增高质量人类 iPSC 的方法。

【摘要】

最近，马里兰大学何晓明教授团队报道了一种用于分离和培养高质量人类 iPSC 的仿生微囊化方法。这是受卵裂球自然增殖和发育成早期囊胚的启发，其中包含早期胚胎干细胞的核心被封闭在称为透明带(Zona) 的半透水凝胶壳中。类卵裂球簇状人类 iPSC 簇被封装在微型（≈10 纳升）富含透明质酸 (HA) 的微胶囊核心中，具有半透性的带状水凝胶壳，随后培养形成多能人类 iPSC 球体，质量显着提高。这由它们的多能性标志物的高表达和高效的 3D 心脏分化表明。特别是，发现HA 对于用仿生核壳微囊化培养分离高质量的人类 iPSC 至关重要。有趣的是，即使在 2D 中再次培养后，分离出的人类 iPSC 仍能保持高多能性。这些发现和仿生培养方法可能对促进基于人类 iPSC 的个性化医疗很有价值。相关论文以题为Bioinspired 3DCulture in Nanoliter Hyaluronic Acid-Rich Core-Shell Hydrogel MicrocapsulesIsolates Highly Pluripotent Human iPSCs发表在《Small》上。

【图文导读】

图1 一种用于分离和培养高质量人类 iPSC 的仿生微囊化方法。a)在早期胚胎发育期间，在雌性生殖系统中孵化和植入之前，卵裂球的小簇/聚集体增殖成透明带 (Zona) 中的多能内细胞团 (ICM) 的示意图。自然的多步骤程序（在虚线框中）涉及一个微型化的纳升微环境，其中卵裂球在 3-5 天内生长并发育成多能 ICM。b) 用于分离和培养高度多能人类 iPSC 的仿生微囊化方法的示意图。一个“卵裂球样”人类 iPSC 簇被封装在一个“Zona 样”核壳微胶囊中并培养 4 天，以产生高度多能性的“ICM 样”人 iPSC 球体。细胞从微胶囊中释放出来（“孵化出来”）以供进一步使用。c) 使用仿生微囊化方法分离和生产高质量人类 iPSC 的实验设计（带时间线）说明。相差图像显示了来自传统 2D 培养（左）的自发分化的人类 iPSC 的代表性形态，以及在微型化培养 4 天后将其从微胶囊中释放出来后，从仿生微囊培养中获得的高质量人类 iPSC 的形态，然后是从第 4-7 天（右）在 2D 中进一步培养 3 天。

图2 人类 iPSC 簇在类似 Zona 的核壳微胶囊中的微胶囊化。a)显示非平面微流体装置中的入口和微通道系统的草图（左）以及在流动聚焦连接处形成人类 iPSC 簇负载核壳微胶囊的示意图（右）。b)实时图像显示核心溶液中的人类 iPSC 簇，在非平面装置的流动聚焦结处被壳（即海藻酸钠）溶液包围。c)代表性图像显示“类卵裂球簇”人 iPSC 簇、空的“类带状”核壳微囊，以及类带状微囊中人 iPSC 簇的仿生微囊化。d)显示每个集群中人类 iPSC 数量分布的直方图。e)通道尺寸，包括微流体装置的宽度 (W) 和深度 (D)，以及本研究中用于生产 Zona 样核壳微胶囊的流速。f)微胶囊的核心和总尺寸（直径）以及封装在类似 Zona 的核壳微胶囊中的人类 iPSC 簇的示意图。g,h)代表性图像(g)以及微胶囊(h)的核壳（即整体）尺寸，显示了在指定核流速下微胶囊的可调核尺寸。

图3 仿生微胶囊核心中人类 iPSC 簇的增殖。

图4 仿生培养分离并产生高度多能的人类 iPSC 球体。

图5 来自仿生培养的人类 iPSC 在转移到 2D 培养后保持高多能性。

【总结】

团队展示了“卵裂球簇样”人类 iPSC 簇在 ≈10 nL 富含 HA 的微胶囊水凝胶核心中的封装，具有“Zona 样”半透水凝胶壳，用于分离/纯化和培养高度多能性人类iPSC。数据不仅显示了核壳结构的关键作用，而且还显示了将 HA 包含在纳升大小的核心中用于分离和培养人类 iPSC 的关键作用。发现人类 iPSC 的常规 3D 悬浮培养与单个簇/球体的融合有关，这保持了 2D 培养的人类 iPSC 之间的异质性。相比之下，在富含 HA 的微胶囊核心的微型 3D 微环境中，细胞的仿生微囊化和“仅增殖”生长从异质 2D 培养的人类 iPSC 簇中分离并扩展了高质量的人类 iPSC。因此，微囊化的人类iPSC簇可以在约4天的微型化培养中增殖成微囊内的“ICM 样”球体，这与 2-16 个细胞阶段卵裂球簇生长成 ICM 的时间相似（3 –5 天）自然存在于人类的女性生殖系统中。此外，与来自传统 3D 悬浮培养的人 iPSC 相比，在早期胚胎样微囊内培养的人类 iPSC 具有显着更高的多能性标记表达和 3D 心脏分化为跳动心肌细胞的能力。总的来说，人类 iPSC 仿生 3D 微囊化培养能够从 2D 培养的典型异质人类 iPSC 群体中分离出高度多能性的人类 iPSC，这对于获得高质量的人类 iPSC 以促进基于人类 iPSC 的个性化成功是非常宝贵的。疾病建模和再生医学。

参考文献：

doi.org/10.1002/smll.202102219

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