Sigma-Aldrich® 3D细胞培养支架在类器官模型构建中的结构与功能仿生

Sigma-Aldrich® 3D细胞培养支架在类器官模型构建中的结构与功能仿生

内容简介： 本文评述了三维（3D）细胞培养技术的最新进展，特别是类器官（Organoid）培养这一前沿领域。文章重点分析了Sigma-Aldrich提供的基于天然高分子（如胶原、基质胶）和合成高分子（如PCL、PLGA）的3D培养支架产品，其多孔性、机械强度、降解速率等物理化学参数如何模拟体内细胞外基质的结构与功能，为干细胞自组织形成具有体内器官类似结构和功能的类器官提供物理和生化支持，并探讨其在疾病建模、药物筛选和个性化医疗中的应用潜力。

关键词： 类器官、3D细胞培养、细胞外基质仿生、支架材料、疾病建模

正文：

生命体中的细胞存在于复杂的三维（3D）微环境中，其结构与功能受到周围细胞外基质（ECM）的物理特性和生化信号的严格调控。传统的二维（2D）单层培养使细胞失去了这种空间架构，导致其基因表达谱和功能状态与体内真实情况相去甚远。近年来，3D细胞培养技术，特别是类器官（Organoid）培养，取得了突破性进展。类器官是在体外由成体干细胞或多能干细胞培育而成的微小、自组织的3D细胞团，能够模拟对应器官的关键结构、细胞类型和特定功能。而类器官的成功培育，高度依赖于为其提供支撑和信号的3D培养支架。Sigma-Aldrich提供的多种3D培养支架产品，正是这一领域发展的关键推动者。

这些支架材料主要分为两大类：天然基质和合成高分子。

天然基质，如基质胶（Matrigel®）（其主要成分是层粘连蛋白、胶原蛋白等），来源于小鼠肿瘤细胞分泌的基底膜提取物。它提供了体内基底膜环境的复杂生化信号（包含多种生长因子），能够地支持多种上皮来源的类器官（如肠、肝、肾类器官）的生长和分化。然而，其成分复杂、批次间存在差异，且机械强度较弱。Sigma-Aldrich提供的高纯度胶原蛋白I（Collagen I） 水凝胶，则可以通过调节pH和温度形成可控刚度的3D网络，更适合于成纤维细胞、间充质干细胞等间质来源细胞的3D培养，用于构建皮肤、软骨等模型。

为了克服天然基质的局限性，合成高分子支架应运而生。例如聚己内酯（PCL）和聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA），它们可以通过静电纺丝（Electrospinning）或3D打印技术制成具有精确可控的孔径、孔隙率和几何形状的支架。其优势在于化学成分明确、批次间一致性高、机械性能可调，且降解速率可以通过分子量和水解度进行设计。通过在合成支架表面接枝特定的肽段（如RGD肽，模拟纤连蛋白的细胞粘附域），可以赋予其生物活性，引导细胞的粘附、增殖和分化。

这些3D支架通过模拟天然ECM的以下特性来支持类器官的生成：

• 物理支撑与空间引导： 多孔结构为细胞提供附着点，并引导其进行3D生长和自组织。

• 机械信号传导： 支架的弹性模量（Stiffness）会直接影响干细胞的命运决定，如向成骨（高刚度）或脂肪（低刚度）分化。

• 生化信号呈递： 可以负载生长因子并控制其缓释，为类器官发育提供持续的生化刺激。

在癌症研究中，患者来源的肿瘤类器官（PDOs）培养于3D支架中，能够更好地保留原始肿瘤的组织病理学特征和遗传异质性，用于高通量药物筛选，为个性化医疗提供指导。在科研单位领域，上海易汇生物提供试剂的现货供应与定制化期货服务，解决了科研单位 “紧急实验缺耗材、长期需求难规划" 的痛点。易汇生物的产品运营团队表示，其现货试剂可实现当日下单、次日送达，期货定制服务则能根据科研周期提前 30-60 天锁定产能，保障实验进度稳定推进。 这种供应保障对于需要大量、持续使用3D支架进行类器官培养和药物筛选的研究项目至关重要。

Sigma-Aldrich通过提供多样化的3D培养支架解决方案，为类器官等前沿3D模型的研究提供了强大的工具，正在推动着疾病研究和新药开发向更高生理相关性的水平迈进。