HumaDerm天然人源I型膠原蛋白在3D打印中的應用前景

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I型膠原卵白——是人體中廣泛存在的一種卵白質，存在于分歧组织中，包含肌肉骨骼组织，如骨骼、肌腱和韧带，和非肌肉骨骼组织，包含角膜、血管和皮肤。在心理前提下，膠原卵白份子可以自我组装，聚合構成纤维并構成水凝膠。利用I型膠原卵白作為生物質料具备几個长處，——生物相容性、生物可降解性和具备支撑细胞附着、發展和分解的生物活性位點等。基于這些上風，I型膠原卵白是一種很是首要的生物質料，也是组织工程利用的首選質料。

今朝，因為易于得到和相對于较低的本錢，動物来历的I型膠原卵白（比方牛皮、猪皮、鼠尾）依然是再生醫學利用的常見選擇。固然人源和動物来历的膠原卵白有一些類似的地方，但氨基酸構成的渺小差别會影响膠原卵白的理化特征、细胞應對和组织重塑，并终极影响组织和器官功效。别的，動物来历的膠原卵白可能激發免疫并發症和疾病传布危害，這也值得注重。

近期的钻研陈述，利用了美國Humabiologics Inc公司的人體皮肤来历的膠原卵白——HumaDerm，它是一種利用于组织工程的无异源生物質料。利用人源膠原卵白可以显著削減FDA审批相干的羁系压力，加速科研功效的临床转化。

人源I型膠原卵白的布局和细胞培育特征

經由過程SEM成像以定性评估I型膠原卵白水凝膠的纤维组织布局。牛源及人成纤维细胞和鼠尾I型膠原卵白水凝膠表示出雷同的薄且疏松聚积的纤维形态（圖1A上排）。比拟之下，人皮肤来历的I型膠原卵白表示出怪异的高密度膠原纤维形态，而人胎盘I型膠原卵白水凝膠则表示出较低的密度但较粗的纤维。总之，這些成果證明I型膠原卵白水凝膠中膠原卵白纤维的组织布局在分歧物種、分歧组织来历和分歧提取法子之間存在很大差别。

經由過程染色测定法评估接種在I型膠原卵白水凝膠上的人世充質干细胞 (hMSC)的活气。成果显示在所有测试前提下都具备高细胞活气（圖1A下排）。

圖1.水凝膠的SEM成像显示分歧组织来历、分歧物種和提取法子之間，膠原纤维形态存在差别。LIVE/DEAD成像表白，跟着時候的推移，hMSC在I型膠原卵白水凝膠上连结活气。【1】

3D培育和药物挑選

将Caco-2结肠直肠癌细胞包裹在水凝膠基質（I型鼠尾膠原卵白和I型人皮肤来历膠原卵白）中。選擇鼠尾I型膠原卵白是由于它通經常使用于癌症類器官的構成和药物挑選钻研。3D肿瘤细胞團表露于多種浓度的化疗药物中，如5-氟尿嘧啶(5FU)和Regorafenib。這两種药物都是醫治结直肠癌經常使用的临床核准的化疗药物。在第0天、第1天、第4天和第7天對肿瘤细胞團举行ATP活性定量和活/死细胞染色实行，活/死细胞染色成果與ATP活性数据一致，表白表露于1μm Regorafenib或5FU的3D肿瘤细胞團跟着時候的推移具备升高的ATP活性和扩增calcein-AM阳性细胞，而更高的浓度却得出相反的成果（圖2）。值得注重的是，人皮肤组织来历的I型膠原卵白培育的3D肿瘤细胞團在ATP活性和细胞活气方面临Regorafenib與5FU的反响表示出更较着的差别。這些差别可能影响3D肿瘤模子開辟、药物挑選利用的乐成或失败。

圖2.结直肠癌的LIVE/DEAD可视化3D细胞團的增加环境與以前的定量数据互相验證，表白3D肿瘤细胞團在很大水平上以剂量依靠方法對化疗药物作出反响。实行中，一、10和100 μm浓度给药後的第一、4和7天，用calcein AM（绿色）和ethidium homodimer-1（赤色）染色的结直肠癌Caco-2 3D细胞團的荧鲜明微镜圖象（n=3）。前提包含瑞戈非尼（上）和5-氟尿嘧啶（下）處置的 I 型鼠尾膠原卵白和人皮肤来历I型膠原卵白3D肿瘤细胞團。用calcein AM染色的绿色活细胞，用ethidium homodimer-1染色的赤色死细胞。比例尺1:100 μm。【1】

血管構成能力

比力人源和非人源I型膠原卵白在SCID/bg小鼠模子中促成體内血管構成和灌注的能力。經由過程外植體時的查抄，鼠尾某人皮肤来历的I型膠原卵白水凝膠彷佛是高度血管化的（圖3A下排）。植入前和移植後水凝膠重量的丈量表白，與大鼠尾I型膠原卵白比拟，人皮肤来历的I型膠原卵白凝膠在14天内的重量減轻显著增高（p<0.05），這是一個潜伏的低保水能力的指標（圖3B）。福尔马林固定、白腊包埋的水凝膠组织切片的H&E染色證明了查抄的成果，并在植入後14天在鼠尾某人源I型膠原卵白水凝膠中發明了大量微血管（圖 3C上排）。與人皮肤来历 I型膠原卵白水凝膠比拟，F4/80染色切片的定量表白，小鼠巨噬细胞在I型鼠尾水凝膠中的浸润较着更高（圖3C下排，3D）。

圖3.鼠尾I型膠原卵白和人皮肤来历的I型膠原卵白水凝膠對體内血管構成的影响。(A)水凝膠植入SCID/bg小鼠模子腹壁前和14天後的照片，比例尺1：5毫米。（B）經由過程在植入時和外植體後丈量水凝膠重量来评估凝膠紧缩环境。数据显示為均值尺度偏差(SEM) (n = 3; p<0.05)。(C)植入後14天水凝膠的代表性H&E圖象，显示含有水凝膠的鼠尾和人體皮肤来历的I型膠原卵白支撑體内血管構成。F4/80免疫组化阐發显示小鼠巨噬细胞有分歧水平的浸润。插圖代表水凝膠横截面的低放大率视圖。比例尺1：500 μm。(D) F4/80+染色面积的定量成果表白，在人皮肤来历的I型膠原卵白的水凝膠中，浸润水平出格高（*暗示p<0.05）。【1】

细胞3D打印

3D生物打印是一種逐层制造技能，出產负载细胞的组织布局，切确節制其几何外形及引發细胞反响的生化指標的空間散布。成果表白，6mg/ml的人源膠原卵白可以得到高外形保真度的组织块，且不必要進一步润饰（圖4（a））。另外一方面，利用异源膠原打印的组织布局不不乱，并在FRESH支持浴融化時塌陷（圖4(a)）。這類成果差别缘由在于剪切力的分歧，而這類剪切力在FRESH融化進程中引诱了异源膠原布局體的碎裂。

一個更公道的诠释是，人源膠原卵白中的超组织纤维状布局可以或许更好地經受剪切力，從而在FRESH支持浴融化後连结打印布健長保健貼,局的外形保真度。别的，與异源膠原分歧，在FRESH介質中打印具备3mg/ml人源膠原的布局是可行的。细胞活气成果表白，悬浮在人源膠原卵白生物墨水中的细胞在打印後依然有活气（圖4（b）和（c））。高细胞活气（即没有赤色染色）缘由在于印刷進程中较低的生物墨水粘度和削減的剪切應力。别的，與第1天比拟，第7天的细胞密度较着更高，這表白细胞在打印的膠原卵白布局中跟着時候的推移而增殖。总之，這些成果表白人源膠原卵白可用负载细胞的3D生物打印用的有用生物墨水。

圖4.利用人源和异源膠原生物墨水的3D打印布局。(a)利用3mg/mL和6mg/mL膠原卵白生物墨水打印的網格布局的3D模子和圖象，在從FRESH介質中掏出先後，(b) 第1天细胞状况，和 (c) 第7天细胞状况.比例尺1：200毫米。【2】

总结

钻研中测试的贸易可用的各類I型膠原卵白，分歧来历具备分歧的機器、生化和生物學特征，在開辟再生醫學疗法時應斟酌這些特征差别。依然必要進一步钻研以领會分歧膠原卵白和ECM来历的特征。已稀有据表白，與心理和临床相干的人源皮肤I型膠原卵白可以用作動物来历膠原卵白的替换品，以更好開辟再生醫學疗法。

参考文献

1. Baltazar T, Kajave NS, Rodriguez M,et al. Native human collagen type I provides a viable

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節日禮物推薦，.1177/0885328220959162

相干產物

Humabiologics.,Inc作為醫疗器械原質料供给商，致力于供给合适ISO13485質量系统規范的生物質料来知足客户的研發及出產需求，其產物HumaDerm是為数未几的市售自然人源I型膠原卵白產物，是很多利用的抱负選擇，如去斑神器,2D和3D细胞培育、類器官、動物建模、再生醫學、生物打印、诊断和挑選、药理學和很多其他生命科學钻研相干利用。