嵌段共聚物在冷凍時(shí)卷成球狀分散在液態(tài)水中(上圖)。當(dāng)溫暖時(shí)，球體融合為長(zhǎng)蠕蟲狀，相互作用形成柔軟的水凝膠(下圖)，足夠支撐三維細(xì)胞培養(yǎng)。

    生物學(xué)家們有了一種新的易變蛋白質(zhì)凝膠替代物，用于在三維空間中培養(yǎng)細(xì)胞：一種聚合物凝膠不僅可支撐細(xì)胞生長(zhǎng)，而且當(dāng)溫度降低時(shí)，很容易地從凝膠態(tài)轉(zhuǎn)換為液態(tài)，方便細(xì)胞收集。(Biomacromolecules 2015, DOI: 10.1021/acs.biomac.5b01266).

    在2012年英國(guó)考文垂的一次講座中，哈佛大學(xué)的George M. Whitesides教授挑戰(zhàn)高分子化學(xué)家們，想出了動(dòng)物蛋白質(zhì)基水凝膠的一種合成替代物，比如用于三維生長(zhǎng)細(xì)胞的Matrigel基質(zhì)膠。三維基體生長(zhǎng)的細(xì)胞比二維細(xì)胞能更好地代表體內(nèi)組織。蛋白質(zhì)基凝膠的批次重現(xiàn)性差，Whitesides教授說，細(xì)胞生物學(xué)家需要每次都具有相同細(xì)胞生長(zhǎng)環(huán)境的水凝膠。

    謝菲爾德大學(xué)的Steven P. Armes作為聽眾。他的研究小組剛剛制備了溫度響應(yīng)的合成凝膠，他意識(shí)到這種凝膠可能會(huì)是現(xiàn)有Matrigel基質(zhì)膠的替代品。

    講座結(jié)束后，Armes追上Whitesides教授，他們開始合作研究新的凝膠是否會(huì)支撐三維細(xì)胞培養(yǎng)。

    Arme的凝膠是嵌段共聚物構(gòu)成，共價(jià)鍵連接的兩種不同聚合物：聚甘油單甲基丙烯酸酯(PGMA)和聚2-羥丙基丙烯酸酯(PHPMA)。PGMA是水溶性，而PHPMA是疏水性。在水中，鏈的疏水端聚集在一起，根據(jù)溫度的不同變換形狀。在冰箱溫度(4°C)，共聚物形成球形納米粒子，在水中保持懸浮。在室溫(25°C)以上，球形粒子融合形成非常長(zhǎng)的蠕蟲狀結(jié)構(gòu)，纏結(jié)形成柔軟的水凝膠。從溫暖時(shí)的凝膠到冷卻后的液態(tài)轉(zhuǎn)變是完全可逆的。研究人員很快發(fā)現(xiàn)這種低成本的聚合物會(huì)形成無需動(dòng)物蛋白的均勻凝膠，對(duì)于一些應(yīng)用是必需的，如人體醫(yī)療。此外，研究人員可以通過降低溫度恢復(fù)支架上的細(xì)胞，從而避免破壞性酶的使用。

    為了測(cè)試這種“蠕蟲凝膠”，Whitesides教授研究小組將蠕蟲狀凝膠和老鼠肺癌細(xì)胞一同嵌入到，聚酯網(wǎng)中間的厚聚氯乙烯片。當(dāng)細(xì)胞在三維膠體中生長(zhǎng)時(shí)，細(xì)胞通過透氣網(wǎng)接觸空氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。

    最初測(cè)試后，該團(tuán)隊(duì)需要一種更強(qiáng)的凝膠。于是，聚合物化學(xué)家們將二硫基加入到水溶性鏈中，最終引起鄰近蠕蟲凝膠的結(jié)合并強(qiáng)化凝膠。

    在二硫基強(qiáng)化的凝膠中，細(xì)胞生長(zhǎng)了12天，即使沒有任何生長(zhǎng)因子和Matrigel基質(zhì)膠中的粘附蛋白。12天之后，通過在冰箱中冷藏蠕蟲狀細(xì)胞一個(gè)小時(shí)，研究者們恢復(fù)了91%的細(xì)胞。而生長(zhǎng)在Matrigel基質(zhì)膠中的細(xì)胞需要降解酶清洗來恢復(fù)所有細(xì)胞。

    華盛頓大學(xué)的Buddy D. Ratner仍舊不看好用這種凝膠來取代Matrigel基質(zhì)膠，但認(rèn)為它簡(jiǎn)單的熱可逆性和可預(yù)測(cè)性結(jié)構(gòu)可能會(huì)有助于組織工程和癌癥研究。

    Armes和他的研究團(tuán)隊(duì)正在設(shè)計(jì)新一代蠕蟲凝膠，不僅應(yīng)用于細(xì)胞培養(yǎng)，還可用于其他生物學(xué)需要?！拔覀冎皇切枰嗟募?xì)胞生物學(xué)家告訴我們他們所遇到的問題，這樣我們可以試著解決這些問題，”他說。