人类诱导多能干细胞（hiPSCs）理论上可以无限自我更新，分化为几乎所有的体细胞类型；因此，它们在研究界引起了越来越多的关注，并有可能改善人类健康。特别为疾病建模、药物研制筛选及毒性测试、个体化细胞疗法和再生医学提供了可靠的方法。自2006年 hiPSCs 的发明获诺奖以来，hiPSCs 一直在平面（二维，2D）单层培养。二维培养中的细胞缺乏合适的干细胞生态位，这通常会导致多能性维持不佳和靶向分化效率低下。近年来，hiPSCs 多能干细胞三维 (3D) 球体已被证明具有生成人类器官的巨大潜力。这些进展表明，功能类器官甚至整个器官都可能由 hiPSC 产生。然而，这些发展是基于使用非粘附 U 型底 96 孔板或琼脂糖微阵列成型板产生的机械成型球体（多细胞聚集体）。这些方法既不适合通过 3D 生物打印技术进行组织工程，也不适合大规模制造生理形成的hiPSC 球体以满足许多应用。此外，机械成型的多细胞球体的多能性受到很大限制导致低活力和多能性维持不足。

  Dr. Xiuzhi Susan Sun (孙秀芝), a University Distinguished Professor of Kansas State University (堪萨斯州立大学)（美国国家发明家科学院院士）在植物蛋白高聚物和油脂以及赖氨酸高分子的结构、合成及其应用的研究作出卓越的贡献。近年来，孙教授团队研制的蛋白肽水凝胶具有世界先进水平，对体外 3D 细胞培殖、生理形成细胞球体或类器官，药物疗效及其毒性筛选，和人体组织修补和器官再生医疗具有不可估量的应用价值。该技术获美国专利局发明奖并被选入美国 Smithsonian 博物馆创新庆典展览并荣获对“下世纪人类影响最大”的技术之一。

  最近，孙秀芝教授团队报道了一种通用自愈肽水凝胶（图 1），用于制造生理形成的hiPSC 球体。将 100 000 个 hiPSC 封装在 500 μL 水凝胶中，在 5 天内生成 ≈50 000 个球体 mL^-1（直径 20–50 μm）。通用肽水凝胶中的 hiPSC 球体是有活力的 (85-96%)，并基于多种生物标志物显示出优异的多能性和分化潜力(图 2)。孙秀芝教授与哈佛大学 Shrike Zhang 教授团队合作使用通用肽水凝胶生物墨水，各种图案可以轻松地从简单的星形 3D 打印成肾状器官形状，无需借助紫外线或可见光或化学品进行印后交联，显示出可接受的可打印性（图 3）。一张 20.0 × 20.0 × 0.75 mm³ 的薄片最终印有封装 hiPSC 的通用肽水凝胶生物墨水并培养了多天，hiPSC 球体具有高于 95% 的细胞活力和优质的多能性和靶向分化潜力。与 PEG（polyethylene glycol）水凝胶或孔板机械成型多细胞球体技术相比，自愈通用肽水凝胶 (PG matrix 或 PGmatrix-M)显出优异特性。具有一致的细胞生长（15-25 倍）和高于 95% 的高细胞活力和靶向分化的巨大潜力，适用于大量生产生理形成 hiPSCs 球体。而 PGmatrix-M 表现出大规模凝胶强度、高粘度和快速自愈动力学，更适用于生物 3D 打印 hiPSCs 或 hiPSCs 球体，无需光、化学或离子交联剂。挤出生物打印后 hiPSC 的存活率为 96%，细胞活力在 0 和 24 小时高于94%，这表明 PGmatrix-M 在打印过程中为 hiPSC 提供了最大的保护。

  图 1. 通用自愈肽水凝胶 (PGmatrix and PGmatrix-M) 具有可调特性 《Advanced Functional Materials –Figure 1》

A.在 37°C 下 30 分钟凝胶化过程中，PGmatrix 的储存模量与肽纳米纤维的浓度成正比。B. 在剪切稀化和溶胶-凝胶过程中，PGmatrix 的储存模量与肽纳米纤维的浓度成正比。去除剪切力后 1 分钟，肽浓度以 0.2%、0.5% 和 1% 的凝胶强度分别恢复为 69%、73% 和 72%。C. PGmatrix 纳米结构在低（左）和高（右）分辨率下的原子力显微镜（AFM） 图像。D. PGmatrix-M 在 1%、1.5% 和 3% 的肽浓度下表现出剪切稀化行为。E. PGmatrix-M 是溶胶-凝胶可逆的，剪切力去除后 1 分钟，肽浓度以 1%、1.5% 和 3% 的凝胶强度分别恢复为 87%、84% 和 94%。F. PGmatrix-M 纳米结构在低（左）和高分辨率（右）下的 AFM 图像。

  图 2. 通用肽水凝胶（PGmatrix 或 PGmatrix-M）可以长期培养 hiPSC 3D 球体并保持优秀的多能性并实现大量 3D 生理形成球体和生物球体打印。与现有的 3D 球体生成技术相比，这些 hiPSC 球体具有卓越的干细胞性能和多能完整性。通用肽水凝胶具有可调节的凝胶强度、粘度和自愈动力学，适用于注射，移液，或 3D 生物打印，无需额外的化学品或光交联。

  图 3. 通用自愈肽水凝胶(PGmatrix-M)显示出可接受的 3D 打印性能生物墨水。各种图案可以轻松地从简单的星形 3D 打印成肾状器官形状，无需借助紫外线或可见光或化学品进行印后交联。比例尺为 0.5 毫米。

  相关论文以题为 Universal Peptide Hydrogel for Scalable Physiological Formation and Bioprinting of 3D Spheroids from Human Induced Pluripotent Stem Cells 发表在《Advanced Functional Materials》上。

  原文链接： https://doi.org/10.1002/adfm.202104046

  孙秀芝教授团队研发的肽水凝胶的部分成果已经商品化【PepGel LLC, Manhattan, KS, USA】。最近，堪萨斯大学（堪萨斯州劳伦斯）的研究证明，在 3D PGmatrix 培养细胞球体可刺激细胞外囊泡（Extracellular Vesicles (EV) 或外泌体）分泌。根据 RNA 测序分析，在 3D PGmatrix 水凝胶中培养的癌细胞球体分泌的 EV 与来自癌症患者血浆的体内循环 EV 具有约 96% 的相似性。而使用传统平面 (2D) 方法培养的相同细胞的 EV 与来自癌症患者的 EV 并不相关。相关论文以题为“3D cell culture stimulates the secretion of in vivo like extracellular vesicles， Sirisha Thippabhotla, Cuncong Zhong & Mei He ，发表在《Scientific Reports》上。Volume 9, Article number: 13012 (2019) . 查看更多：www.nature.com/articles/s41598-019-49671-3.