嵌段共聚物在冷凍時卷成球狀分散在液態(tài)水中(上圖)。當(dāng)溫暖時，球體融合為長蠕蟲狀，相互作用形成柔軟的水凝膠(下圖)，足夠支撐三維細胞培養(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)細胞：一種聚合物凝膠不僅可支撐細胞生長，而且當(dāng)溫度降低時，很容易地從凝膠態(tài)轉(zhuǎn)換為液態(tài)，方便細胞收集。(Biomacromolecules 2015, DOI: 10.1021/acs.biomac.5b01266).

    在2012年英國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，比如用于三維生長細胞的Matrigel基質(zhì)膠。三維基體生長的細胞比二維細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，細胞生物學(xué)家需要每次都具有相同細胞生長環(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，他意識到這種凝膠可能會是現(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支撐三維細胞培養(yǎng)。

    Arme的凝膠是嵌段共聚物構(gòu)成，共價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的蠕蟲狀結(jié)構(gòu)，纏結(jié)形成柔軟的水凝膠。從溫暖時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形成無需動物蛋白的均勻凝膠，對于一些應(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)支架上的細胞，從而避免破壞性酶的使用。

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

    最初測試后，該團隊需要一種更強的凝膠。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)合并強化凝膠。

    在二硫基強化的凝膠中，細胞生長了12天，即使沒有任何生長因子和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胞一個小時，研究者們恢復(fù)了91%的細胞。而生長在Matrigel基質(zhì)膠中的細胞需要降解酶清洗來恢復(fù)所有細胞。

    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)為它簡單的熱可逆性和可預(yù)測性結(jié)構(gòu)可能會有助于組織工程和癌癥研究。

    Armes和他的研究團隊正在設(shè)計新一代蠕蟲凝膠，不僅應(yīng)用于細胞培養(yǎng)，還可用于其他生物學(xué)需要?！拔覀冎皇切枰嗟募毎飳W(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。