越來越多的研究人員意識到，3D細胞培養模型比2D更接近體內微環境，能提供更真實可靠的信息，是基礎研究、藥物篩選和再生醫學等領域細胞功能研究的理想選擇。 伴隨著研究的普及和深入，用于3D培養的基質水凝膠技術與時俱進地演變和更迭著，將基礎研究推向更有實用價值的臨床應用和藥物研發的轉化。
 
第一代3D細胞培養基質水凝膠主要有鼠尾膠或從小鼠肉瘤細胞基底膜提取的ECM，主要成分是膠原、層粘連蛋白以及生長因子，能很好的固定細胞，模擬體內生長環境。動物來源的基質膠取得了廣泛的成功應用，是目前基礎研究中普遍使用的技術方法。但也存在諸多問題，如含有動物來源的成分、原料供應不穩定、批次間差異較大，特別是蛋白和生長因子的種類和數量變化無法控制，對細胞或類組織生長有很大的影響，在此基礎上建立的3D細胞模型也有可能不穩定。膠原形成凝膠后不可逆，細胞無法從凝膠中分離出來。除此之外，實驗過程中，需要保持基質膠及操作耗材的低溫，使用并非友好，難以高通量操作。

第二代水凝膠主要是人工合成多肽支架，在溫度或pH/離子強度變化下高度交聯，形成三維結構，支持細胞和類組織生長。這類基質膠已解決了成分可控和無異源物質污染問題，批次穩定，取得了進步。然而，多肽運輸保存必須維持在-20度以下，避免反復凍融。需要操作者嚴格遵守操作步驟，注意環境條件。
 
近年來，水凝膠在轉化醫學方面的研究，很好地將基礎科研推向臨床應用。近期不僅有國外科學家在《Sicence》上發表的利用水凝膠作為生物墨水克服3D打印器官的一大障礙，打印出模擬肺功能的氣囊，體外實現向周圍血管輸送氧氣的功能。且有國內科學家研發快速止血生物水凝膠，用于數秒內止住大動脈損傷和心臟穿透傷大出血的仿生材料。  
那么我們看看，是Hydrogel的哪些特質使得這么多科學家越來越青睞于開發水凝膠的應用呢？
 
以芬蘭UPM BioMedicals的科學家研發出3D細胞培養水凝膠GrowDex為例，其所具備的特性，代表了這一類水凝膠的優勢。
 
1. 無動物源，批間穩定
GrowDex是從純植物樺樹中提純的一種纖維素水凝膠，成分單一明確，不包含異源物質，無人源或動物源成份，不含內毒素，pH值中性。因此，建立的3D培養模型可重復性高，培養條件高度可控，科學家可自行組合優化所需生長因子和輔助試劑。組間一致性好，可用于高通量藥物篩選和藥效評估。生產工藝明確，采用GMP標準，可提供溯源文件，支持未來臨床申報。
 
2. 生物兼容，孔徑可調
GrowDex的納米纖維網結構不僅允許營養素和氧氣等小分子物質輕松擴散，且韌度（孔徑）可調，便于優化支持各種類型細胞培養的3D微環境。200nm細小纖維素的交聯既為每種細胞的培養提供了個性化的培養空間，又處于動態平衡狀態，實時適應細胞的運動和細胞之間的相互交流。目前已成功用于上百種細胞系、原代細胞、共培養體系、活檢組織、干細胞的培養和后續研究。
3. 無需交聯、使用簡單
GrowDex水凝膠的穩定性強，可在室溫保存、運輸和使用，免去了嚴格的溫度控制要求和昂貴的冷鏈運輸。預置在注射器中，設計友好，是一種可直接使用的水凝膠。使用前無需交聯(cross- linking)、無需凝膠化(gelation)、無需超聲(sonication)或任何其他步驟。只需要推出水凝膠，混合培養基和細胞，鋪板和培養即可。
4. 一步回收、維持功能 
當細胞或類組織培養一段時間后，如需回收細胞，只需要在樣品中加入GrowDase纖維素酶，GrowDex即可降解成溶液，細胞或組織又重懸于培養基中。回收獲得的3D微球和組織，既維持了特定的形態和功能（App note 002），還可用于下游的分析和檢測，如測序和切片染色（App note 018）。  
5.高通量操作、實現3D篩選
3D細胞模型逐漸被建立起來作為動物實驗的替代，特別是用于藥效研究、毒理評價，往往一次實驗的通量比較高，而以往的基質膠系統在使用自動化工作站換液時，對液流速度和沖擊力非常敏感，膠體或交聯結構溶液崩裂，或因對溫度敏感，常常在高通量操作中粘附或堵住槍頭。GrowDex是一種浸沒在網狀支架結構，用戶合理設置操作條件，已經驗證GrowDex可在多種自動化系統上實現高通量接種、換液。（視頻）
 
6. 推動基礎向臨床應用的轉化
除了上述所提到的無動物源成分以及采用GMP標準進行生產這兩大特點使得Growdex水凝膠可在基礎研究向臨床應用的轉化過程中大放異彩外，更讓人驚喜的是，采用此水凝膠作為原料的一款用于促進皮膚移植后傷口愈合的產品已經成功獲得歐洲CE認證（相當于美國的FDA認證），被批準用于臨床治療。（文獻Hakkarainen T. et al. Nanofibrillar cellulose wound dressing in skin graft donor site treatment. Journal of Controlled Release 2016; 16, 292-301.

更多詳情請聯系：

上海曼博生物醫藥科技有限公司
MineBio Life Sciences Ltd.
www.mine-bio.com
Tel: +(86) 21 51769110
Mobile: +(86) 18221705797（微信同號）
QQ：3117358847
Email: info@mine-bio.com
地址: 上海浦東張江達爾文路 88 號 21 號樓 4 層