三维(3D)类器官培养是细胞生物学的重要工具。3D类器官模型对于理解乳腺生物学尤为重要，乳腺上皮细胞(MECs)在3D培养条件下会形成功能性的类器官。然而，乳腺类器官模型在很大程度上依赖于重组基底膜提取物Matrigel。但Matrigel有很多局限性，包括生物化学的复杂性、批间差异显著、异质性、机械性能差等。近年来，合成水凝胶用于体外细胞培养方面取得了重要进展，这些水凝胶具有可重复性、可调节机械性和生物相容性等优点。近期，英国曼彻斯特大学Andrew P. Gilmore团队利用自组装短肽水凝胶在体外模拟乳腺上皮细胞（MECs）的微环境。结果发现，通过调节的力学性能和添加laminin可以较好的促进MECs特定蛋白的表达并促使极性小叶的形成。本自组装短肽产品可成为用于替代Matrigel的乳腺上皮细胞类器官产品。
相关研究内容以“Optimising a self-assembling peptide hydrogel as a Matrigel alternative for 3-dimensional mammary epithelial cell culture”为题于2024年6月发表在《Biomaterials Advances》上。
支持MECs的存活，但不支持MCF10A细胞的小叶极化，将MCF10A细胞分别封装在和Matrigel中，21天时间内监测细胞的存活率、小叶大小和形态。结果发现，MCF10A细胞在中至少存活了21天，并形成了类似于Matrigel中的3D小叶结构的聚集物。为了比较在Matrigel和中3D细胞聚集物的组织结构，在第7、12和21天，从Matrigel或中提取完整的细胞聚集物，并用对人类特异性laminin-alpha 3、胶原IV进行免疫染色。在Matrigel中，MCF10A细胞周围有明确的基底膜，含有人类laminin和胶原IV。相比之下，在中，细胞聚集物缺乏有组织的胶原IV和laminin-332基底膜。尽管支持MCF10A的存活，但无法完全重现Matrigel中观察到的MCF10A组织结构（图1）。
图1 促使MCF10A细胞存活，但无法形成3D腺泡组织
单独调节水凝胶的力学性能无法引起MCF10A泡状体极化，通过调节的浓度来调节水凝胶的基质硬度，结果发现水凝胶力学性能的改变会促使细胞分泌laminin和collagen-IV，但未形成Matrigel中所见的明确基底膜。LC-MS/MS分析显示，与Matrigel相比，中的蛋白质表达存在显著差异。软化的导致MCF10A细胞的代谢活性降低，但与Matrigel中的细胞仍存在显著差异。总之，尽管软化有助于MECs簇的生长，但仅依靠机械性质无法完全模拟Matrigel中细胞的分化和组织（图2）。
图2 MCF10A细胞包裹在Matrigel，硬和软水凝胶中的蛋白质组学谱
MCF10A细胞需层粘连蛋白维持泡状结构，将MCF10A细胞嵌入含有层粘连蛋白的水凝胶中，发现与Matrigel相比，这些细胞能够保持泡状结构。在层粘连蛋白水凝胶中，MCF10A泡状结构显示出与Matrigel相似的组织结构和生化特征（图3）。
图3 MCF10A的腺泡发育和极性维持需要层粘连蛋白
层粘连蛋白促使功能化以支持MCF10A腺泡形成，含有层粘连蛋白-111（laminin-111）的具有适宜的生化和生物力学微环境，支持MCF10A细胞形成与Matrigel中相同的极化、泡状结构。在中加入1 mg/mL的层粘连蛋白，并将其与含有1.5 mg/mL Matrigel的进行比较。在培养7天后，发现MCF10A细胞在Matrigel、层粘连蛋白中形成了与以前相同的泡状结构（图4）。
图4 层粘连蛋白功能化的支持MCF10A细胞的腺泡发育
这些结果表明，通过将进行力学性能优化，并添加适当的微环境组分，如组织特异性的ECM蛋白，可以成为MECs类器官培养模型的Matrigel替代品。
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