I型膠原蛋白——是人體中普遍存在的一種蛋白質(zhì)，存在于不同組織中，包括肌肉骨骼組織，如骨骼、肌腱和韌帶，以及非肌肉骨骼組織，包括角膜、血管和皮膚。在生理?xiàng)l件下，膠原蛋白分子可以自我組裝，聚合形成纖維并形成水凝膠。使用I型膠原蛋白作為生物材料具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，——生物相容性、生物可降解性以及具有支持細(xì)胞附著、生長(zhǎng)和分化的生物活性位點(diǎn)等?；谶@些優(yōu)勢(shì)，I型膠原蛋白是一種非常重要的生物材料，也是組織工程應(yīng)用的材料。
目前，由于易于獲得和相對(duì)較低的成本，動(dòng)物來(lái)源的I型膠原蛋白（例如牛皮、豬皮、鼠尾）仍然是再生醫(yī)學(xué)應(yīng)用的常見選擇。雖然人源和動(dòng)物來(lái)源的膠原蛋白有一些相似之處，但氨基酸組成的細(xì)微差異會(huì)影響膠原蛋白的理化特性、細(xì)胞應(yīng)答和組織重塑，并最終影響組織和器官功能。此外，動(dòng)物來(lái)源的膠原蛋白可能引發(fā)免疫并發(fā)癥和疾病傳播風(fēng)險(xiǎn)，這也值得注意。
近期的研究報(bào)告，使用了美國(guó)Humabiologics Inc公司的人體皮膚來(lái)源的膠原蛋白——HumaDerm，它是一種應(yīng)用于組織工程的無(wú)異源生物材料。使用人源膠原蛋白可以顯著減少FDA審批相關(guān)的監(jiān)管壓力，加快科研成果的臨床轉(zhuǎn)化。
人源I型膠原蛋白的結(jié)構(gòu)和細(xì)胞培養(yǎng)特性
通過(guò)SEM成像以定性評(píng)估I型膠原蛋白水凝膠的纖維組織結(jié)構(gòu)。牛源及人成纖維細(xì)胞和鼠尾I型膠原蛋白水凝膠表現(xiàn)出類似的薄且松散堆積的纖維形態(tài)（圖1A上排）。相比之下，人皮膚來(lái)源的I型膠原蛋白表現(xiàn)出*的高密度膠原纖維形態(tài)，而人胎盤I型膠原蛋白水凝膠則表現(xiàn)出較低的密度但較粗的纖維?？傊?，這些結(jié)果證實(shí)I型膠原蛋白水凝膠中膠原蛋白纖維的組織結(jié)構(gòu)在不同物種、不同組織來(lái)源和不同提取方法之間存在很大差異。
通過(guò)染色測(cè)定法評(píng)估接種在I型膠原蛋白水凝膠上的人間充質(zhì)干細(xì)胞 (hMSC)的活力。結(jié)果顯示在所有測(cè)試條件下都具有高細(xì)胞活力（圖1A下排）。
圖1.水凝膠的SEM成像顯示不同組織來(lái)源、不同物種和提取方法之間，膠原纖維形態(tài)存在差異。LIVE/DEAD成像表明，隨著時(shí)間的推移，hMSC在I型膠原蛋白水凝膠上保持活力?！?】
3D培養(yǎng)和藥物篩選
將Caco-2結(jié)腸直腸癌細(xì)胞包裹在水凝膠基質(zhì)（I型鼠尾膠原蛋白和I型人皮膚來(lái)源膠原蛋白）中。選擇鼠尾I型膠原蛋白是因?yàn)樗ǔＳ糜诎┌Y類器官的形成和藥物篩選研究。3D腫瘤細(xì)胞團(tuán)暴露于多種濃度的化療藥物中，如5-氟尿嘧啶(5FU)和Regorafenib。這兩種藥物都是治療結(jié)直腸癌常用的臨床批準(zhǔn)的化療藥物。在第0天、第1天、第4天和第7天對(duì)腫瘤細(xì)胞團(tuán)進(jìn)行ATP活性定量和活/死細(xì)胞染色實(shí)驗(yàn)，活/死細(xì)胞染色結(jié)果與ATP活性數(shù)據(jù)一致，表明暴露于1μm Regorafenib或5FU的3D腫瘤細(xì)胞團(tuán)隨著時(shí)間的推移具有升高的ATP活性和擴(kuò)增calcein-AM陽(yáng)性細(xì)胞，而更高的濃度卻得出相反的結(jié)果（圖2）。值得注意的是，人皮膚組織來(lái)源的I型膠原蛋白培養(yǎng)的3D腫瘤細(xì)胞團(tuán)在ATP活性和細(xì)胞活力方面對(duì)Regorafenib與5FU的反應(yīng)表現(xiàn)出更明顯的差異。這些差異可能影響3D腫瘤模型開發(fā)、藥物篩選應(yīng)用的成功或失敗。
圖2.結(jié)直腸癌的LIVE/DEAD可視化3D細(xì)胞團(tuán)的增長(zhǎng)情況與之前的定量數(shù)據(jù)相互驗(yàn)證，表明3D腫瘤細(xì)胞團(tuán)在很大程度上以劑量依賴方式對(duì)化療藥物作出反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)中，1、10和100 μm濃度給藥后的第1、4和7天，用calcein AM（綠色）和ethidium homodimer-1（紅色）染色的結(jié)直腸癌Caco-2 3D細(xì)胞團(tuán)的熒光顯微鏡圖像（n=3）。條件包括瑞戈非尼（上）和5-氟尿嘧啶（下）處理的 I 型鼠尾膠原蛋白和人皮膚來(lái)源I型膠原蛋白3D腫瘤細(xì)胞團(tuán)。用calcein AM染色的綠色活細(xì)胞，用ethidium homodimer-1染色的紅色死細(xì)胞。比例尺1:100 μm?！?】
血管形成能力
比較人源和非人源I型膠原蛋白在SCID/bg小鼠模型中促進(jìn)體內(nèi)血管形成和灌注的能力。通過(guò)外植體時(shí)的檢查，鼠尾或人皮膚來(lái)源的I型膠原蛋白水凝膠似乎是高度血管化的（圖3A下排）。植入前和移植后水凝膠重量的測(cè)量表明，與大鼠尾I型膠原蛋白相比，人皮膚來(lái)源的I型膠原蛋白凝膠在14天內(nèi)的重量減輕顯著增高（p<0.05），這是一個(gè)潛在的低保水能力的指標(biāo)（圖3B）。福爾馬林固定、石蠟包埋的水凝膠組織切片的H&E染色證實(shí)了檢查的結(jié)果，并在植入后14天在鼠尾或人源I型膠原蛋白水凝膠中發(fā)現(xiàn)了大量微血管（圖 3C上排）。與人皮膚來(lái)源 I型膠原蛋白水凝膠相比，F(xiàn)4/80染色切片的定量表明，小鼠巨噬細(xì)胞在I型鼠尾水凝膠中的浸潤(rùn)明顯更高（圖3C下排，3D）。
圖3.鼠尾I型膠原蛋白和人皮膚來(lái)源的I型膠原蛋白水凝膠對(duì)體內(nèi)血管形成的影響。(A)水凝膠植入SCID/bg小鼠模型腹壁前和14天后的照片，比例尺1：5毫米。（B）通過(guò)在植入時(shí)和外植體后測(cè)量水凝膠重量來(lái)評(píng)估凝膠收縮情況。數(shù)據(jù)顯示為均值標(biāo)準(zhǔn)誤差(SEM) (n = 3; p<0.05)。(C)植入后14天水凝膠的代表性H&E圖像，顯示含有水凝膠的鼠尾和人體皮膚來(lái)源的I型膠原蛋白支持體內(nèi)血管形成。F4/80免疫組化分析顯示小鼠巨噬細(xì)胞有不同程度的浸潤(rùn)。插圖代表水凝膠橫截面的低放大率視圖。比例尺1：500 μm。(D) F4/80+染色面積的定量結(jié)果表明，在人皮膚來(lái)源的I型膠原蛋白的水凝膠中，浸潤(rùn)程度特別高（*表示p<0.05）?！?】
細(xì)胞3D打印
3D生物打印是一種逐層制造技術(shù)，生產(chǎn)負(fù)載細(xì)胞的組織結(jié)構(gòu)，精確控制其幾何形狀及引起細(xì)胞反應(yīng)的生化指標(biāo)的空間分布。結(jié)果表明，6mg/ml的人源膠原蛋白可以獲得高形狀保真度的組織塊，且不需要進(jìn)一步修飾（圖4（a））。另一方面，使用異源膠原打印的組織結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，并在FRESH支撐浴熔化時(shí)塌陷（圖4(a)）。這種結(jié)果差異原因在于剪切力的不同，而這種剪切力在FRESH熔化過(guò)程中誘導(dǎo)了異源膠原結(jié)構(gòu)體的碎裂。
一個(gè)更合理的解釋是，人源膠原蛋白中的超組織纖維狀結(jié)構(gòu)能夠更好地承受剪切力，從而在FRESH支撐浴熔化后保持打印結(jié)構(gòu)的形狀保真度。此外，與異源膠原不同，在FRESH介質(zhì)中打印具有3mg/ml人源膠原的結(jié)構(gòu)是可行的。細(xì)胞活力結(jié)果表明，懸浮在人源膠原蛋白生物墨水中的細(xì)胞在打印后仍然有活力（圖4（b）和（c））。高細(xì)胞活力（即沒(méi)有紅色染色）原因在于印刷過(guò)程中較低的生物墨水粘度和減少的剪切應(yīng)力。此外，與第1天相比，第7天的細(xì)胞密度明顯更高，這表明細(xì)胞在打印的膠原蛋白結(jié)構(gòu)中隨著時(shí)間的推移而增殖。總之，這些結(jié)果表明人源膠原蛋白可用負(fù)載細(xì)胞的3D生物打印用的有效生物墨水。
圖4.使用人源和異源膠原生物墨水的3D打印結(jié)構(gòu)。(a)使用3mg/mL和6mg/mL膠原蛋白生物墨水打印的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的3D模型和圖像，在從FRESH介質(zhì)中取出前后，(b) 第1天細(xì)胞狀態(tài)，和 (c) 第7天細(xì)胞狀態(tài).比例尺1：200毫米。【2】
總結(jié)
研究中測(cè)試的商業(yè)可用的各種I型膠原蛋白，不同來(lái)源具有不同的機(jī)械、生化和生物學(xué)特性，在開發(fā)再生醫(yī)學(xué)療法時(shí)應(yīng)考慮這些特性差異。仍然需要進(jìn)一步研究以了解不同膠原蛋白和ECM來(lái)源的特性。已有數(shù)據(jù)表明，與生理和臨床相關(guān)的人源皮膚I型膠原蛋白可以用作動(dòng)物來(lái)源膠原蛋白的替代品，以更好開發(fā)再生醫(yī)學(xué)療法。
參考文獻(xiàn)
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physiologically relevant alternative to xenogeneic sources for tissue engineering applications: A comparative in vitro and in vivo study. J Biomed Mater Res. 2022;1‐15. doi:10.1002/jbm.b.35080
2. Schmitt T, Kajave N, Cai HH, Gu L, Albanna M, Kishore V. In vitro characterization of xeno-free clinically relevant human collagen and its applicability in cell-laden 3D bioprinting. J Biomater Appl. 2021;35: 912-923. doi:10.1177/0885328220959162
相關(guān)產(chǎn)品
Humabiologics.,Inc作為醫(yī)療器械原材料供應(yīng)商，致力于提供符合ISO13485質(zhì)量體系規(guī)范的生物材料來(lái)滿足客戶的研發(fā)及生產(chǎn)需求，其產(chǎn)品HumaDerm是為數(shù)不多的市售天然人源I型膠原蛋白產(chǎn)品，是許多應(yīng)用的理想選擇，如2D和3D細(xì)胞培養(yǎng)、類器官、動(dòng)物建模、再生醫(yī)學(xué)、生物打印、診斷和篩選、藥理學(xué)和許多其他生命科學(xué)研究相關(guān)應(yīng)用。
