骨骼肌通过肌腱附着在人体的骨骼上，并产生身体各个部位的运动，比如走路和呼吸。骨骼肌的功能可能会受到肌肉疾病和神经肌肉疾病的影响，例如杜氏肌营养不良症和肌萎缩侧索硬化症。目前科学家们使用实验室人工培养的骨骼肌细胞来研究这些疾病的病理，并培养相关疾病模型用于新药设计筛选。然而骨骼肌组织由于其复杂的结构和高强度的收缩性质，在细胞培养皿中是很难完全复制培养的。在人体中，肌纤维的骨骼肌细胞是被细胞外基质支撑包围着， 并引导人体内骨骼肌组织结构的排列、生长和功能。如果没有类似的支撑结构，实验室培养的肌肉是无法达到研究肌肉疾病所需的更接近人体的肌肉。目前文献报道的肌肉培养方法还受限于复杂耗时的高成本制造步骤和测试方法。

  近日，伦敦大学学院外科重建与再生生物材料中心主任宋文辉教授和伦敦国王学院基因治疗和再生医学中心Lieberam 教授在《Advanced Materials》期刊上发表了题为” Biobased Elastomer Nanofibers Guide Light-controlled Human iPSC-derived Skeletal Myofibers”( DIO：10.1002/adma.202110441) 。为了解决这个问题，两个团队结合在生物高分子材料和干细胞技术的专长，合作开发了一种新型生物基高弹性纳米纤维生物材料支架和便捷灵敏的骨骼肌纤维培养多孔板盘， 利用光基因控制的人类诱导多功能干细胞（iPSC）在纳米纤维支架上衍生出更接近人体的骨骼肌纤维，证实了纳米纤维支架有助于实验室培养的骨骼肌组织的生长和稳定。

  实验先设计合成了生物基聚氨酯弹性体，其纳米纤维是使用静电纺丝技术制成， 并通过附加电场来引导纳米纤维排列取向。 该纳米混杂弹性材料具有优异的高弹性，其断裂应变高达1000%，弹性模量（~25kPa）在人体骨骼肌的（~11-50kPa）模量范围内。 匹配的高弹性特性及像细胞外基质形貌的纳米纤维结构使其成为支撑肌纤维细胞生长和收缩的理想支架。肌纤维细胞是从人类iPSC干细胞分化衍生出来的。iPSC干细胞是一种由成人皮肤細胞经转入转录因子等技术脫分化形成的多能干细胞, 这类干细胞具有类似胚胎干细胞那样的再生能力，理论上可以分化为成体的所有器官和组织。 这些干细胞经过光基因工程处理， 使其分化衍生的肌纤维细胞对光响应。这使得我们能够通过光波信号控制肌纤维收缩，并在自制的悬浮弹性纳米纤维多孔板盘培养皿中研究肌肉收缩功能。实验结果证明，单轴排列取向的弹性纳米纤维能引导成肌纤维细胞定向生长， 促进和加强肌细胞纤维的生成。蓝光刺激时，弹性纳米纤维引导的骨骼肌纤维的收缩速度和收缩力分别高于是传统培养方法的200% 和280%， 其收缩能量密度为~35 W/m³ , 也在人体骨骼肌的收缩能量密度范围类。

图 4. 单轴取向的悬浮纳米纤维支架（SNFs）的组装。(1) 直径 6.96 毫米的微孔从 2 毫米厚的涂有双面胶的亚克力板上切割下来。(2) 单个微孔被放置在两个带电的电极之间， 胶面朝上。对齐的纳米纤维被电纺在微孔上。(3) 微孔和纳米纤维悬浮在一侧，被倒置，并固定在一个 35 毫米的组织培养皿的底部。胶带的作用是将纳米纤维固定在微孔的边缘，同时允许将微孔固定在培养皿上。(4) 对组装好的微孔进行空气等离子体处理和紫外线消毒，以去除表面污染。(5) 在细胞播种前，用 GFR-Matrigel 预涂 SNFs。在浓缩的（30k 细胞/100ul）培养基中，将成肌祖细胞直接播种到中心孔中。5 分钟后，一旦细胞明显沉淀到孔底，就在组织培养皿中加入 1.5ml 的培养基。

  论文第一作者是博士生 Aimee Cheesbrough。通讯作者为宋文辉教授和Lieberam 教授。此研究得到BBSRC 伦敦跨学科博士 ( LIDo )培训计划， EPSRC和 MRC基金及 Wellcome Trust慈善基金等支持。

  原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202110441