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天津大學(xué)楊靜 Acta Biomater.：可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)ROS水平的智能水凝膠傳感系統(tǒng) - 實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)期細(xì)胞冰箱冷藏保存
2024-08-27  來(lái)源：高分子科技

  活細(xì)胞樣本，包括血樣中稀有細(xì)胞（用于液體活檢）或治療性細(xì)胞（用于癌癥治療），在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。與傳統(tǒng)的超低溫凍存（-196°C）相比，低體溫保存（1°C-35°C）在保持細(xì)胞樣本穩(wěn)定性方面具有顯著優(yōu)勢(shì)：它無(wú)需使用有毒的低溫保護(hù)劑、避免了耗時(shí)的清洗步驟以及昂貴的低溫設(shè)備。然而，在低體溫保存期間，冷誘導(dǎo)的活性氧（ROS）過(guò)度產(chǎn)生是導(dǎo)致細(xì)胞損傷的主要原因，溫度越低，ROS產(chǎn)生的越多。傳統(tǒng)方法通常在保存液中添加抗氧化劑（如谷胱甘肽GSH）來(lái)延長(zhǎng)保存時(shí)間，但其效果有限，通常只能在體外維持?jǐn)?shù)小時(shí)或幾天的細(xì)胞活性。尤其是在方便于醫(yī)院診所的冰箱冷藏溫度下（4°C），長(zhǎng)時(shí)間維持細(xì)胞活性一直是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。


  近日，天津大學(xué)化工學(xué)院楊靜團(tuán)隊(duì)在期刊《Acta Biomaterialia》（IF=9.4）上發(fā)表了題為“Zwitterionic-hydrogel-based Sensing System Enables Real-time ROS Monitoring for Ultra-long Hypothermic Cell Preservation”的研究論文。天津大學(xué)化工學(xué)院博士研究生田云青和馬一鳴為論文的共同第一作者，楊靜副教授為通訊作者；合作作者為天津醫(yī)院康宇翔主治醫(yī)師。該研究得到了天津市教委研計(jì)劃項(xiàng)目基金的支持。


  該工作開(kāi)發(fā)了一種基于兩性離子水凝膠的智能傳感系統(tǒng)，用于活細(xì)胞樣本的超長(zhǎng)期冰箱冷藏溫度保存（圖1）。該系統(tǒng)能夠實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)細(xì)胞中的ROS水平，并通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)智能控制抗氧化劑的添加，長(zhǎng)時(shí)間維持細(xì)胞活性。此外，該水凝膠還提供了類(lèi)似細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的三維環(huán)境，避免細(xì)胞失巢凋亡。



圖1 實(shí)時(shí)ROS水平監(jiān)測(cè)和智能控制傳感系統(tǒng)的示意圖及保護(hù)機(jī)制


  該工作以?xún)尚噪x子材料為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種兩性離子-苯硼酸共聚物poly (CBMA-co-MPBA)，可與聚乙烯醇（PVA）溫和交聯(lián)包埋細(xì)胞，形成基于動(dòng)態(tài)鍵的智能兩性離子水凝膠（ZBA）。ZBA不僅可以為細(xì)胞提供三維支撐環(huán)境，還能夠消除并實(shí)時(shí)響應(yīng)ROS水平。當(dāng)細(xì)胞生成ROS時(shí)，ZBA內(nèi)動(dòng)態(tài)鍵斷裂，體積膨脹，電阻信號(hào)增加；當(dāng)ROS被消除后，體積停止膨脹，電信號(hào)維持穩(wěn)定；從而實(shí)現(xiàn)體系內(nèi)ROS的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。


  首先，為了應(yīng)對(duì)低溫保存過(guò)程中ROS過(guò)量造成的細(xì)胞損傷，作者評(píng)估了ZBA水凝膠對(duì)不同類(lèi)型ROS（包括H2O2和·OH）的清除能力。實(shí)驗(yàn)表明，ZBA水凝膠能夠高效清除ROS，從而顯著減輕ROS的細(xì)胞毒性（圖2）。ZBA水凝膠能夠在4小時(shí)內(nèi)清除幾乎所有添加的H2O2，并且在與H2O2共孵育實(shí)驗(yàn)中，ZBA水凝膠組細(xì)胞的存活率更高，這種清除ROS的能力是該水凝膠能夠延長(zhǎng)細(xì)胞保存時(shí)間的關(guān)鍵所在。



圖2 ZBA水凝膠的ROS清除性能


  作者進(jìn)一步驗(yàn)證了ZBA水凝膠在4°C條件下對(duì)不同細(xì)胞系的保存效果（圖3）。結(jié)果顯示，使用ZBA水凝膠的細(xì)胞存活率（包括人體癌細(xì)胞、脂肪干細(xì)胞等）遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的CPDA保存液。保存結(jié)束后，使用細(xì)胞相容性的葡萄糖溶液溶解ZBA水凝膠、回收保存的細(xì)胞，這些細(xì)胞保持了良好的細(xì)胞膜完整性，且與新鮮細(xì)胞的功能表現(xiàn)相似。此外，ZBA水凝膠在保存全血樣本時(shí)也展現(xiàn)了優(yōu)異的性能，能夠有效保持紅細(xì)胞正常的形態(tài)和功能。



圖3 ZBA水凝膠低體溫保存細(xì)胞的效果


  在細(xì)胞低體溫保存過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)保存系統(tǒng)內(nèi)的ROS水平對(duì)評(píng)估細(xì)胞狀態(tài)至關(guān)重要。為此，作者研究了ZBA水凝膠對(duì)ROS的電阻（R）響應(yīng)。隨著H2O2濃度的增加，水凝膠中的硼酸酯鍵發(fā)生斷裂，導(dǎo)致水凝膠溶脹并引發(fā)電阻信號(hào)的增加，而純兩性離子PCB水凝膠則無(wú)ROS信號(hào)響應(yīng)能力。SEM圖像也顯示了水凝膠結(jié)構(gòu)隨H2O2濃度的增加而逐漸松散，進(jìn)一步驗(yàn)證了H2O2導(dǎo)致的水凝膠溶脹現(xiàn)象，從而導(dǎo)致水凝膠的電阻上升（圖4）。



圖4. ZBA水凝膠的ROS響應(yīng)性能


  根據(jù)ZBA傳感水凝膠的實(shí)時(shí)ROS監(jiān)測(cè)信號(hào)，及時(shí)添加抗氧化劑GSH能夠有效清除保存系統(tǒng)中的ROS，保護(hù)細(xì)胞免受氧化應(yīng)激，從而有望實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)保存期；诖耍髡唛_(kāi)發(fā)了一種基于ZBA水凝膠的傳感系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)ROS水平并智能控制GSH的添加（圖5）。該系統(tǒng)由包埋細(xì)胞的ZBA水凝膠、LCR數(shù)字電橋和計(jì)算機(jī)控制的GSH滴控泵組成。LCR數(shù)字電橋?qū)⑺z檢測(cè)到的ROS信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并根據(jù)該信號(hào)智能控制滴控泵，自動(dòng)將GSH注入水凝膠中，以清除過(guò)量產(chǎn)生的ROS，從而顯著延長(zhǎng)了細(xì)胞在冰箱冷藏溫度的保存時(shí)間，長(zhǎng)達(dá)24天。該系統(tǒng)成功維持了細(xì)胞的高活性，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)方法。這項(xiàng)研究細(xì)胞樣本的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和長(zhǎng)期保存提供了一種解決方案，有望造福于細(xì)胞醫(yī)學(xué)和基于基因編程的細(xì)胞活體材料開(kāi)發(fā)。



圖5. 基于ZBA水凝膠的智能傳感系統(tǒng)長(zhǎng)效保存細(xì)胞


通訊作者簡(jiǎn)介：

  楊靜，天津大學(xué)化工學(xué)院副教授、博士生導(dǎo)師；國(guó)家優(yōu)青、國(guó)*領(lǐng)域人才。主持國(guó)家級(jí)重點(diǎn)創(chuàng)新項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金（3項(xiàng)）、科技部重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)子課題、天津市自然科學(xué)基金、教育部博士后基金、教育部產(chǎn)學(xué)研等項(xiàng)目。主要研究方向?yàn)榧?xì)胞保存、仿皮膚材料、抗冰涂層、合成生物學(xué)等；在Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Chem. Rev., Research, Adv. Func. Mater., AIChE J.等刊物發(fā)表第一作者/通訊作者SCI論文40余篇。


  論文信息：

  Zwitterionic-hydrogel-based Sensing System Enables Real-time ROS Monitoring for Ultra-long Hypothermic Cell Preservation. Yunqing Tian#, Yiming Ma#, Yuxiang Kang, Shu Tian, Qingsi Li, Lei Zhang, and Jing Yang*. Acta Biomaterialia, 2024, DOI: 10.1016/j.actbio.2024.07.043.

  全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actbio.2024.07.043

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