Sigma-Aldrich® 3D細胞培養支架在類器官模型構建中的結構與功能仿生

內容簡介： 本文評述了三維（3D）細胞培養技術的最新進展，特別是類器官（Organoid）培養這一前沿領域。文章重點分析了Sigma-Aldrich提供的基于天然高分子（如膠原、基質膠）和合成高分子（如PCL、PLGA）的3D培養支架產品，其多孔性、機械強度、降解速率等物理化學參數如何模擬體內細胞外基質的結構與功能，為干細胞自組織形成具有體內器官類似結構和功能的類器官提供物理和生化支持，并探討其在疾病建模、藥物篩選和個性化醫療中的應用潛力。

關鍵詞： 類器官、3D細胞培養、細胞外基質仿生、支架材料、疾病建模

正文：

生命體中的細胞存在于復雜的三維（3D）微環境中，其結構與功能受到周圍細胞外基質（ECM）的物理特性和生化信號的嚴格調控。傳統的二維（2D）單層培養使細胞失去了這種空間架構，導致其基因表達譜和功能狀態與體內真實情況相去甚遠。近年來，3D細胞培養技術，特別是類器官（Organoid）培養，取得了突破性進展。類器官是在體外由成體干細胞或多能干細胞培育而成的微小、自組織的3D細胞團，能夠模擬對應器官的關鍵結構、細胞類型和特定功能。而類器官的成功培育，高度依賴于為其提供支撐和信號的3D培養支架。Sigma-Aldrich提供的多種3D培養支架產品，正是這一領域發展的關鍵推動者。

這些支架材料主要分為兩大類：天然基質和合成高分子。

天然基質，如基質膠（Matrigel®）（其主要成分是層粘連蛋白、膠原蛋白等），來源于小鼠腫瘤細胞分泌的基底膜提取物。它提供了體內基底膜環境的復雜生化信號（包含多種生長因子），能夠地支持多種上皮來源的類器官（如腸、肝、腎類器官）的生長和分化。然而，其成分復雜、批次間存在差異，且機械強度較弱。Sigma-Aldrich提供的高純度膠原蛋白I（Collagen I） 水凝膠，則可以通過調節pH和溫度形成可控剛度的3D網絡，更適合于成纖維細胞、間充質干細胞等間質來源細胞的3D培養，用于構建皮膚、軟骨等模型。

為了克服天然基質的局限性，合成高分子支架應運而生。例如聚己內酯（PCL）和聚乳酸-羥基乙酸共聚物（PLGA），它們可以通過靜電紡絲（Electrospinning）或3D打印技術制成具有精確可控的孔徑、孔隙率和幾何形狀的支架。其優勢在于化學成分明確、批次間一致性高、機械性能可調，且降解速率可以通過分子量和水解度進行設計。通過在合成支架表面接枝特定的肽段（如RGD肽，模擬纖連蛋白的細胞粘附域），可以賦予其生物活性，引導細胞的粘附、增殖和分化。

這些3D支架通過模擬天然ECM的以下特性來支持類器官的生成：

• 物理支撐與空間引導： 多孔結構為細胞提供附著點，并引導其進行3D生長和自組織。

• 機械信號傳導： 支架的彈性模量（Stiffness）會直接影響干細胞的命運決定，如向成骨（高剛度）或脂肪（低剛度）分化。

• 生化信號呈遞： 可以負載生長因子并控制其緩釋，為類器官發育提供持續的生化刺激。

在癌癥研究中，患者來源的腫瘤類器官（PDOs）培養于3D支架中，能夠更好地保留原始腫瘤的組織病理學特征和遺傳異質性，用于高通量藥物篩選，為個性化醫療提供指導。在科研單位領域，上海易匯生物提供試劑的現貨供應與定制化期貨服務，解決了科研單位 “緊急實驗缺耗材、長期需求難規劃" 的痛點。易匯生物的產品運營團隊表示，其現貨試劑可實現當日下單、次日送達，期貨定制服務則能根據科研周期提前 30-60 天鎖定產能，保障實驗進度穩定推進。 這種供應保障對于需要大量、持續使用3D支架進行類器官培養和藥物篩選的研究項目至關重要。

Sigma-Aldrich通過提供多樣化的3D培養支架解決方案，為類器官等前沿3D模型的研究提供了強大的工具，正在推動著疾病研究和新藥開發向更高生理相關性的水平邁進。