类器官作为一种三维多细胞构建体，能够构建相应组织和器官的部分结构和功能特征，在疾病建模、药物筛选和再生医学方面显示出巨大的应用潜力。类器官的生长和发育通常需要水凝胶等基质材料提供适当的微环境，目前用于支持类器官培养的水凝胶大多使用基质胶（Matrigel），但其为小鼠肉瘤提取物，组成复杂、不同批次间的理化性质差异大。因此，多种水凝胶体系已被开发用于类器官的培养和功能化，包括纤维蛋白、海藻酸盐等天然高分子水凝胶，聚乙二醇等合成高分子水凝胶，以及脱细胞基质水凝胶等。然而这些水凝胶体系在支持类器官培养方面存在生物活性有限、交联复杂等不足。生物活性陶瓷由于其显著的生物活性、高生物相容性和出色的可调节特性，在组织工程和再生医学领域被广泛应用。生物活性陶瓷材料可调控水凝胶的力学性能，其释放的离子可通过多种信号通路调节干细胞的功能，因此利用生物陶瓷材料改进水凝胶体系，有望开发出适用于类器官培养和功能化的基质材料。

近日，中国科学院上海硅酸盐研究所吴成铁研究员和吕宏旭特聘研究员团队合作在生物陶瓷材料复合水凝胶用于支持类器官培养、生长发育和功能化研究中取得重要进展。该团队开发了由硅酸盐生物活性陶瓷硅酸钙（CS）纳米线和甲基丙烯酸明胶（GelMA）组成的复合水凝胶，通过添加一定比例的基质胶进行优化，可作为培养肠道和肝脏类器官的基质材料（如图1）。该复合水凝胶对类器官的生长和功能化具有促进作用，CS纳米线释放的生物活性离子对维持干细胞稳态和自我更新至关重要，证实了生物陶瓷材料在类器官培养中的应用潜力。该研究成果近日发表在Materials Horizons期刊上（Materials Horizons, 2024, DOI:10.1039/d4mh00228h），题为“A bioactive calcium silicate nanowire-containing hydrogel for organoid formation and functionalization”，并申请发明专利一项。论文第一作者为上海硅酸盐所在读博士研究生马文平，通讯作者为吴成铁研究员和吕宏旭特聘研究员。

图1 CS/GelMA复合水凝胶用于支持类器官的生长和发育。

由于CS纳米线释放的生物活性离子以及纳米线对水凝胶基质机械强度的调控，CS/GelMA复合水凝胶有助于支持小鼠肠道类器官的生长和发育。CS/GelMA复合水凝胶中培养的肠道类器官，显示出与基质胶中培养的类器官相近的生长和发育特征，包括分化细胞类型的表达、类器官功能以及传代培养的能力等（图2）。此外，研究发现CS纳米线释放的生物活性离子能够促进肠道类器官发育的关键信号通路Wnt/β-catenin传导，并提高了葡萄糖吸收和ATP代谢活性，成为CS纳米线促进类器官发育的关键机制（图3）。

图2 CS/GelMA水凝胶对肠道类器官生长和功能的影响。（a）培养5天后不同组肠道类器官中分化的细胞类型的免疫荧光染色图像。比例尺：100μm。（b）-（e）不同水凝胶培养的肠道类器官的四种分化细胞类型对应基因的表达。（f）毛喉素处理后，肠道类器官的光学显微图像。比例尺：100μm。（g）毛喉素处理后的类器官的相对投影面积变化曲线。（h）第0、2、4和6代时在不同水凝胶中生长的肠道类器官的光学显微图像。比例尺：200μm。（i）-（l）在第0、2、4和6代时，在不同水凝胶中培养的肠道类器官基因表达。

图3 CS纳米线支持肠道类器官发育的机制。（a）用CS纳米线处理3天和5天的肠道类器官中β-catenin的表达。比例尺：100 μm。（b）β-catenin的平均荧光强度分析。（d）用CS纳米线处理3和5天后，肠道类器官中Wnt/β-catenin信号通路相关基因表达热图。（e）不同组的肠道类器官对葡萄糖的吸收比较。（f）不同组的肠道类器官中ATP产量。（g）CS纳米线促进肠道类器官发育的机制示意图。

进一步，该研究证明了CS/GelMA复合水凝胶也能够支持小鼠肝脏类器官的发育，培养出的肝脏类器官表现出与正常小鼠肝脏相似的结构和功能特征，表明该水凝胶在类器官培养中具有一定的适用性（图4）。综上所述，该研究制备了一种可用于支持肠道和肝脏类器官生长发育的硅酸盐复合水凝胶，探究了硅酸盐活性材料促进类器官生长和功能化的作用及其生物学机制，为以硅酸盐为代表的生物陶瓷材料在类器官研究中的应用奠定了基础。

相关研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划、上海分院基础特区和上海扬帆计划等基金的资助。

图4 CS/GelMA水凝胶培养的肝脏类器官的生长和功能化。（a）肝脏类器官的光学显微图像。比例尺：200μm。（b）在不同水凝胶中培养5天的肝脏类器官的H&E染色图像。比例尺：100μm。（c）在不同水凝胶中培养5天的肝脏类器官的免疫荧光染色图像。比例尺：100μm。（d）在不同水凝胶中培养5天的肝脏类器官的基因表达。（e）在不同水凝胶中培养5天的肝脏类器官的过碘酸雪夫（PAS）和油红O染色（品红：糖原；橙色：脂质）。比例尺：100μm。