三維(3D)類器官培養是細胞生物學的重要工具。3D類器官模型對于理解乳腺生物學尤為重要，乳腺上皮細胞(MECs)在3D培養條件下會形成功能性的類器官。然而，乳腺類器官模型在很大程度上依賴于重組基底膜提取物Matrigel。但Matrigel有很多局限性，包括生物化學的復雜性、批間差異顯著、異質性、機械性能差等。近年來，合成水凝膠用于體外細胞培養方面取得了重要進展，這些水凝膠具有可重復性、可調節機械性和生物相容性等優點。近期，英國曼徹斯特大學Andrew P. Gilmore團隊利用自組裝短肽水凝膠在體外模擬乳腺上皮細胞（MECs）的微環境。結果發現，通過調節的力學性能和添加laminin可以較好的促進MECs特定蛋白的表達并促使極性小葉的形成。本自組裝短肽產品可成為用于替代Matrigel的乳腺上皮細胞類器官產品。
相關研究內容以“Optimising a self-assembling peptide hydrogel as a Matrigel alternative for 3-dimensional mammary epithelial cell culture”為題于2024年6月發表在《Biomaterials Advances》上。
支持MECs的存活，但不支持MCF10A細胞的小葉極化，將MCF10A細胞分別封裝在和Matrigel中，21天時間內監測細胞的存活率、小葉大小和形態。結果發現，MCF10A細胞在中至少存活了21天，并形成了類似于Matrigel中的3D小葉結構的聚集物。為了比較在Matrigel和中3D細胞聚集物的組織結構，在第7、12和21天，從Matrigel或中提取完整的細胞聚集物，并用對人類特異性laminin-alpha 3、膠原IV進行免疫染色。在Matrigel中，MCF10A細胞周圍有明確的基底膜，含有人類laminin和膠原IV。相比之下，在中，細胞聚集物缺乏有組織的膠原IV和laminin-332基底膜。盡管支持MCF10A的存活，但無法完全重現Matrigel中觀察到的MCF10A組織結構（圖1）。
圖1 促使MCF10A細胞存活，但無法形成3D腺泡組織
單獨調節水凝膠的力學性能無法引起MCF10A泡狀體極化，通過調節的濃度來調節水凝膠的基質硬度，結果發現水凝膠力學性能的改變會促使細胞分泌laminin和collagen-IV，但未形成Matrigel中所見的明確基底膜。LC-MS/MS分析顯示，與Matrigel相比，中的蛋白質表達存在顯著差異。軟化的導致MCF10A細胞的代謝活性降低，但與Matrigel中的細胞仍存在顯著差異。總之，盡管軟化有助于MECs簇的生長，但僅依靠機械性質無法完全模擬Matrigel中細胞的分化和組織（圖2）。
圖2 MCF10A細胞包裹在Matrigel，硬和軟水凝膠中的蛋白質組學譜
MCF10A細胞需層粘連蛋白維持泡狀結構，將MCF10A細胞嵌入含有層粘連蛋白的水凝膠中，發現與Matrigel相比，這些細胞能夠保持泡狀結構。在層粘連蛋白水凝膠中，MCF10A泡狀結構顯示出與Matrigel相似的組織結構和生化特征（圖3）。
圖3 MCF10A的腺泡發育和極性維持需要層粘連蛋白
層粘連蛋白促使功能化以支持MCF10A腺泡形成，含有層粘連蛋白-111（laminin-111）的具有適宜的生化和生物力學微環境，支持MCF10A細胞形成與Matrigel中相同的極化、泡狀結構。在中加入1 mg/mL的層粘連蛋白，并將其與含有1.5 mg/mL Matrigel的進行比較。在培養7天后，發現MCF10A細胞在Matrigel、層粘連蛋白中形成了與以前相同的泡狀結構（圖4）。
圖4 層粘連蛋白功能化的支持MCF10A細胞的腺泡發育
這些結果表明，通過將進行力學性能優化，并添加適當的微環境組分，如組織特異性的ECM蛋白，可以成為MECs類器官培養模型的Matrigel替代品。
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