基质胶介绍

基质胶是从小鼠肿瘤组织提取的基底膜成分（基底膜是动物体内上皮细胞基底面的一层基质膜），所形成的基质胶（图1）。基质胶主要成分为层粘连蛋白，Ⅳ型胶原蛋白，巢蛋白。同时，基质胶也包含多种生长因子，例如表皮生长因子EFG，血小板衍生生长因子PDGF，神经生长因子NGF，碱性成纤维细胞生长因子FGF-2，乙型转化生长因子TGF-beta和胰岛素样生长因子ILGF（Vukicevic et al.1992）。

图1 基底膜在小鼠肿瘤组织中的位置分布

基质胶在各实验领域中的应用

2.1血管生成实验

血管生成(Angiogenesis)是指源于已存在的毛细血管和毛细血管后微静脉新的毛细血管性血管的生长。血管生成参与了需对疾病的病理变化，无论原发性肿瘤还是继发性肿瘤，一日生长直径超过1-2mm，都会有血管生成。这是由于肿瘤细胞自身可分泌多种生长因子诱导血管生成。控制血管生成有利于多种疾病的治疗，从病理学角度研究疾病状态下的血管生成和消退规律，采取有效的血管治疗策略以及开展器官转移等研究均有十分重要的意义。其中小管形成实验是测量在体外血管生成一种快速的可量化的方法。

结果展示（点击“阅读原文”查看详细实验步骤）

图3 人脐静脉内皮细胞 HUVEC OrganoGel 基质胶上均可形成血管网络

2.2干细胞的研究

胚胎干细胞(embryonic stem cell，ESCs，简称ES、EK或ESC细胞。)胚胎干细胞是早期胚胎(原肠胚期之前)或原始性腺中分离出来的一类细胞，它具有发育的全能性，能分化出成体动物的所有组织和器官，包括生殖细胞。研究和利用ES细胞是当前生物工程领域的核心问题之一。但是胚胎干细胞容易分化，所以在接种前用基质胶包被培养皿，在一定程度上可以防止其出现意外分化。且一般情况下，细胞接种在预先用基质胶包被的培养基质上会更有利于细胞的生长。下面以大鼠胚胎神经干细胞为例，操作所需时间为2h。

结果展示（点击“阅读原文”查看详细实验步骤）

图4 大鼠神经干细胞在OrganoGel基质胶中培养7天，并由神经细胞标志物Tuj1的抗体（红色）和细胞核染料DAPI（蓝色）染色成像（A）

2.3代谢及毒理研究

药物毒理学研究的方法主要是动物实验，通过在实验动物产生的作用来外推给人。新药毒性研究主要包括：急性毒性研究、长期毒性研究、制剂毒性研究以及特殊毒性研究。实验的方法主要是分为体内试验和体外试验，其中体外试验利用游离器官、培养的细胞、细胞器以及利用微生物等手段进行毒性研究，传统的2D细胞培养无法构建一个立体的微环境，因此与体内细胞功能存在很大差异，三维培养采用特殊的方法和材料，使细胞在三维空间程立体方式生长，更接近于体内的生长模式，形成类似体内组织的微结构。3D细胞的培养主要分为基于支架的3D细胞培养和无支架3D细胞培养。

2.3.1 基于支架的 3D 细胞培养

基于支架的 3D 细胞培养方法发展历史悠久，具有大量的文献支持。用于细胞培养支架的材料有琼脂糖、胶原蛋白、纤维连接蛋白、明胶、层粘连蛋白等。这些复合材料通过孔隙率、纤维、渗透性和机械稳定性模拟天然细胞外基质（ECM），能够良好地模拟体内环境中细胞与细胞间的相互作用以及细胞与细胞外基质间的相互作用，同时允许细胞在支架上聚集、增殖和迁移。目前常用的支架材料主要是基质胶和明胶。点击下方“阅读原文”具体实验操作方法。

图5 基于支架的3D细胞培养方法的示意(图片来源于网络）

2.3.2 无支架3D细胞培养

无支架的3D细胞培养是一种简单、便于操作的细胞培养方法，不需要额外添加细胞支架，而是使用经细胞排斥材质处理的细胞培养器皿或使用悬滴、微流控等特殊系统开展细胞培养，阻止细胞在器皿表面的贴附，迫使其聚集成团形成细胞微球。通过这种方法得到的 3D 细胞模型具有完整的球体结构，可以自发形成细胞外基质，并良好地模拟体内环境下的氧和营养梯度。

图6 无支架3D细胞培养方法的示意(图片来源于网络)

2.4 类器官体外3D培养的研究

类器官属于三维(3D)细胞培养物，包含其代表器官的一些关键特性。此类体外培养系统包括一个自我更新干细胞群，可分化为多个器官器官特异性的细胞类型，与对应的器官拥有类似的空间组织并能够重现对应器官的部分功能，从而提供一个高度生理相关系统。类器官可以从成体干细胞（ASCs）、多能干细胞（PSCs）（即胚胎干细胞，或 ESCs），或诱导的 PSCs （iPSCs）中衍生。类器官培养系统主要包括基质胶、维持类器官生态所需因子和分化所需因子这几个主要元素。基质胶中含有胶原、巢蛋白和纤连蛋白等等，为类器官形成三维空间结构提供基质。维持类器官生态因子主要目的为促进细胞的增殖和抑制细胞凋亡等。

图7 类器官培养流程

常见类器官培养相关细胞因子

结果展示（点击“阅读原文”查看详细实验步骤）

图8 人胆管类器官在OrganoGel 基质胶（标准型）中的生长情况。人胆管类器官由细胞核染料 DAPI（蓝色），紧密连接蛋白抗体 anti-ZO1 和细胞骨架蛋白 F-actin 的染料 Alexa Fluor 647 Phalloidin 染色成像。

2.5 Transwell细胞体外侵袭实验

Transwell细胞体外侵袭实验应用于各种细胞因子对恶性肿瘤细胞侵袭和转移的影响及一些抑制血管生成的新药研究。Transwell实验原理就是将transwell小室放入培养板中，并将高营养液与低营养液用一层膜隔开，细胞放在低营养液中，而为了获更多的营养，细胞则会穿过这层膜，进入高营养液。细胞 transwell实验，可作为一种非常简便的研究肿瘤细胞迁移、侵袭以及转移情况的方法。

图9 transwell实验原理图

常见细胞每孔接种数量推荐（仅参考）

2.6 小鼠成瘤实验

动物实验由于其更能模拟人类的生理和病理条件，在肿瘤研究中，最常规的动物实验就是裸鼠成瘤实验。由于大部分肿瘤研究使用的是人类细胞，所以由于异种排斥的存在，我们需要免疫缺陷型小鼠来作为移植瘤模型的载体，通过对该小鼠的注射肿瘤细胞，使其成瘤，观察流体的生长来判断其生物学变化。

基质胶的应用前景

随着科学的进步，由于2D细胞体外培养的局限性，3D细胞培养在临床研究中的应用越来越多，其中基质胶在体外3D培养中发挥着至关重要的作用，基质胶主要是模拟体内细胞基底膜的结构、组成、物理特性和功能，可以有效促进正常细胞、转染细胞、贴壁生长的上皮细胞等细胞的粘附和分化，包括神经细胞，肝细胞，动物上皮细朐及黑素瘤等。同时在类器官培养、类器官药物敏感实验以及Transwell细胞体外侵袭实验都发挥着重要的作用。近20年，基质胶被广泛的应用于细胞分化、血管形成和肿瘤生长有关的研究。建立了许多的细胞分化模型、血管生成和肿瘤恶性程度相关检测方法。当细胞分化后，可以将其移植回动物，替代病变或缺损的组织。未来基质胶在体新型类器官模型构建、体外肿瘤细胞生物学特性研究及其他细胞方面的应用也一定会越来越广泛。

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