研究人员开发了一种用于培养大量神经干细胞的凝胶

在许多方面，干细胞是生物界的天才。一方面，这些天然的变形器可以将自身转化为体内几乎任何类型的细胞。在这方面，他们承诺能够治愈从脊髓损伤到癌症等疾病。另一方面，材料科学与工程副教授Sarah Heilshorn表示，干细胞就像女主角一样，也是一种善变和困难的工作。“我们只是不知道如何有效地生长大量干细胞并使其保持再生状态，”Heilshorn说。“这使我们无法在创造治疗方面取得更多进展。”

到现在为止。在最近发表在“ 自然材料”杂志上的一篇论文中，Heilshorn描述了一种解决生长和保存神经干细胞的双重挑战的解决方案，在这种状态下神经干细胞仍然可以成熟为许多不同的细胞类型。第一个挑战是大量增加干细胞需要空间。像传统农业一样，这是一种二维事件。如果你想要更多的小麦，玉米或干细胞，你需要更多的表面积。因此，培养干细胞需要大量相对昂贵的实验室空间，更不用说将其全部拉下来所需的能量和营养。

第二个挑战是，一旦他们在实验室培养皿中分开多次，干细胞就不容易保持理想状态，成为其他类型的细胞。研究人员将这种品质称为“干性”。Heilshorn发现，对于她正在使用的神经干细胞，保持细胞的干性需要细胞接触。

Heilshorn的团队正在研究一种特殊类型的干细胞，这种干细胞会成熟为神经元和神经系统的其他细胞。如果产生足够数量的这些类型的细胞，可以产生治疗以修复脊髓损伤，抵抗创伤性脑损伤或治愈一些最严重的神经系统退行性疾病，如帕金森病和亨廷顿氏病。

寻求干燥

Heilshorn的解决方案涉及使用更好的材料来生长干细胞。她的实验室开发了新的聚合物基凝胶，可以让细胞以三维而不是两个维生长。这种新的3-D工艺占目前干细胞培养技术所需实验室空间的不到1%。而且因为细胞很小，所以3-D凝胶叠层只有一毫米高，大约是一角硬币的厚度。“对于三维文化，我们只需要一个4英寸×4英寸的实验室空间，或大约16平方英寸。二维文化需要四英尺乘四英尺，或大约16平方根据第一作者克里斯·马德尔(Chris Madl)的说法，这个空间超过100倍，他是Heilshorn实验室最近的生物工程博士研究生。

除了显着节省实验室空间外，新工艺还需要更少的营养和更少的能源。

团队开发的凝胶允许干细胞重塑长分子并保持彼此的物理接触，以保持细胞之间的关键通信通道。“简单的触摸行为是干细胞与保持干细胞之间沟通的关键。如果干细胞无法改造凝胶，它们就无法相互接触，”Madl解释道。“如果干细胞无法接触，它们就不会完全死亡，但它们会失去再生能力，而这正是我们真正需要的治疗成功，”Heilshorn补充道。

惊人的结果

这需要对神经干细胞重塑他们的环境不同于什么Heilshorn与其它类型的干细胞的工作已经找到。对于那些细胞，凝胶的刚度 - 而不是重塑的能力 - 这是保持干燥的关键因素。就像对于这些其他类型的干细胞一样，凝胶必须模仿最终将细胞移植到其中的组织的刚性。Heilshorn说，神经祖细胞不是这样。“神经细胞干对刚度不敏感，这对我们来说是一个很大的惊喜，”她说。

结果是如此引人注目和意外，Heilshorn起初并不相信自己的结果。实验室最终测试了三种完全不同的凝胶，看看它们的结论是否成立，这是这种研究中不寻常的补充步骤。通过每种新材料，他们看到那些可以改造的材料可以生产出优质的干细胞; 那些无法改造的产品会对干燥产生负面影响。

接下来Heilshorn的研究计划是创造可以直接从实验室培养皿注入体内的凝胶。这种可能性使她对干细胞疗法再次感到乐观。她曾说过，有一段时间，感觉就好像这块土地撞到了墙上，因为对于再生的最初兴奋让位于诊所的结果令人失望。她说，随着她的新发现，新的事物可能就在眼前。“ 干细胞研究中存在生物学知识和工程原理的这种融合，我希望我们最终可以解决一些重大问题，”她说。