類器官作為一種三維多細(xì)胞構(gòu)建體，能夠構(gòu)建相應(yīng)組織和器官的部分結(jié)構(gòu)和功能特征，在疾病建模、藥物篩選和再生醫(yī)學(xué)方面顯示出巨大的應(yīng)用潛力。類器官的生長(zhǎng)和發(fā)育通常需要水凝膠等基質(zhì)材料提供適當(dāng)?shù)奈h(huán)境，目前用于支持類器官培養(yǎng)的水凝膠大多使用基質(zhì)膠（Matrigel），但其為小鼠肉瘤提取物，組成復(fù)雜、不同批次間的理化性質(zhì)差異大。因此，多種水凝膠體系已被開發(fā)用于類器官的培養(yǎng)和功能化，包括纖維蛋白、海藻酸鹽等天然高分子水凝膠，聚乙二醇等合成高分子水凝膠，以及脫細(xì)胞基質(zhì)水凝膠等。然而這些水凝膠體系在支持類器官培養(yǎng)方面存在生物活性有限、交聯(lián)復(fù)雜等不足。生物活性陶瓷由于其顯著的生物活性、高生物相容性和出色的可調(diào)節(jié)特性，在組織工程和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。生物活性陶瓷材料可調(diào)控水凝膠的力學(xué)性能，其釋放的離子可通過(guò)多種信號(hào)通路調(diào)節(jié)干細(xì)胞的功能，因此利用生物陶瓷材料改進(jìn)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(zhì)材料。

近日，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所吳成鐵研究員和呂宏旭特聘研究員團(tuán)隊(duì)合作在生物陶瓷材料復(fù)合水凝膠用于支持類器官培養(yǎng)、生長(zhǎng)發(fā)育和功能化研究中取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了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(fù)合水凝膠，通過(guò)添加一定比例的基質(zhì)膠進(jìn)行優(yōu)化，可作為培養(yǎng)腸道和肝臟類器官的基質(zhì)材料（如圖1）。該復(fù)合水凝膠對(duì)類器官的生長(zhǎng)和功能化具有促進(jìn)作用，CS納米線釋放的生物活性離子對(duì)維持干細(xì)胞穩(wěn)態(tài)和自我更新至關(guān)重要，證實(shí)了生物陶瓷材料在類器官培養(yǎng)中的應(yīng)用潛力。該研究成果近日發(fā)表在Materials Horizons期刊上（Materials Horizons, 2024, DOI:10.1039/d4mh00228h），題為“A bioactive calcium silicate nanowire-containing hydrogel for organoid formation and functionalization”，并申請(qǐng)發(fā)明專利一項(xiàng)。論文第一作者為上海硅酸鹽所在讀博士研究生馬文平，通訊作者為吳成鐵研究員和呂宏旭特聘研究員。

圖1 CS/GelMA復(fù)合水凝膠用于支持類器官的生長(zhǎng)和發(fā)育。

由于CS納米線釋放的生物活性離子以及納米線對(duì)水凝膠基質(zhì)機(jī)械強(qiáng)度的調(diào)控，CS/GelMA復(fù)合水凝膠有助于支持小鼠腸道類器官的生長(zhǎng)和發(fā)育。CS/GelMA復(fù)合水凝膠中培養(yǎng)的腸道類器官，顯示出與基質(zhì)膠中培養(yǎng)的類器官相近的生長(zhǎng)和發(fā)育特征，包括分化細(xì)胞類型的表達(dá)、類器官功能以及傳代培養(yǎng)的能力等（圖2）。此外，研究發(fā)現(xiàn)CS納米線釋放的生物活性離子能夠促進(jìn)腸道類器官發(fā)育的關(guān)鍵信號(hào)通路Wnt/β-catenin傳導(dǎo)，并提高了葡萄糖吸收和ATP代謝活性，成為CS納米線促進(jìn)類器官發(fā)育的關(guān)鍵機(jī)制（圖3）。

圖2 CS/GelMA水凝膠對(duì)腸道類器官生長(zhǎng)和功能的影響。（a）培養(yǎng)5天后不同組腸道類器官中分化的細(xì)胞類型的免疫熒光染色圖像。比例尺：100μm。（b）-（e）不同水凝膠培養(yǎng)的腸道類器官的四種分化細(xì)胞類型對(duì)應(yīng)基因的表達(dá)。（f）毛喉素處理后，腸道類器官的光學(xué)顯微圖像。比例尺：100μm。（g）毛喉素處理后的類器官的相對(duì)投影面積變化曲線。（h）第0、2、4和6代時(shí)在不同水凝膠中生長(zhǎng)的腸道類器官的光學(xué)顯微圖像。比例尺：200μm。（i）-（l）在第0、2、4和6代時(shí)，在不同水凝膠中培養(yǎng)的腸道類器官基因表達(dá)。

圖3 CS納米線支持腸道類器官發(fā)育的機(jī)制。（a）用CS納米線處理3天和5天的腸道類器官中β-catenin的表達(dá)。比例尺：100 μm。（b）β-catenin的平均熒光強(qiáng)度分析。（d）用CS納米線處理3和5天后，腸道類器官中Wnt/β-catenin信號(hào)通路相關(guān)基因表達(dá)熱圖。（e）不同組的腸道類器官對(duì)葡萄糖的吸收比較。（f）不同組的腸道類器官中ATP產(chǎn)量。（g）CS納米線促進(jìn)腸道類器官發(fā)育的機(jī)制示意圖。

進(jìn)一步，該研究證明了CS/GelMA復(fù)合水凝膠也能夠支持小鼠肝臟類器官的發(fā)育，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(jié)構(gòu)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（圖4）。綜上所述，該研究制備了一種可用于支持腸道和肝臟類器官生長(zhǎng)發(fā)育的硅酸鹽復(fù)合水凝膠，探究了硅酸鹽活性材料促進(jìn)類器官生長(zhǎng)和功能化的作用及其生物學(xué)機(jī)制，為以硅酸鹽為代表的生物陶瓷材料在類器官研究中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

相關(guān)研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃、上海分院基礎(chǔ)特區(qū)和上海揚(yáng)帆計(jì)劃等基金的資助。

圖4 CS/GelMA水凝膠培養(yǎng)的肝臟類器官的生長(zhǎng)和功能化。（a）肝臟類器官的光學(xué)顯微圖像。比例尺：200μm。（b）在不同水凝膠中培養(yǎng)5天的肝臟類器官的H&E染色圖像。比例尺：100μm。（c）在不同水凝膠中培養(yǎng)5天的肝臟類器官的免疫熒光染色圖像。比例尺：100μm。（d）在不同水凝膠中培養(yǎng)5天的肝臟類器官的基因表達(dá)。（e）在不同水凝膠中培養(yǎng)5天的肝臟類器官的過(guò)碘酸雪夫（PAS）和油紅O染色（品紅：糖原；橙色：脂質(zhì)）。比例尺：100μm。