Zein/岩藻多糖微载体通过拓扑信号和水动力调节促进肌生成分化

《Journal of Bioscience and Bioengineering》：Zein/Fucoidan microcarriers promote myogenic differentiation via topographical cues and hydrodynamic modulation

微载体表面沟槽结构结合低流体剪切应力环境促进肌原细胞定向分化，动态培养条件下实现1.16×106 cells/mL的高密度增殖，效果优于商用球状载体。

　　

熊万利|葛成新|张博涛|陈子英|郭玉哲|卢巧辉|谭文松|周燕

中国华东科技大学生物反应器工程国家重点实验室，上海200237，中华人民共和国

微载体表面拓扑结构与流体剪切应力（FSS）对细胞行为具有关键调控作用。本研究设计了一种含有200微米沟槽的可食用玉米醇溶蛋白/岩藻多糖微载体。通过计算流体动力学（CFD）模拟和实验相结合的方法，分析了动态培养过程中微流控特性及其对细胞的影响。研究表明，通过调控沟槽拓扑结构和FSS，可以实现可控的肌生成分化，从而用于可扩展的培养肉生产。实验结果表明，这种带沟槽的微载体在旋转瓶动态培养中表现出优异的细胞附着和增殖能力，最大细胞密度达到1.16 × 10⁶个细胞/mL，与商业化的Cultispher-S微载体相当。沟槽结构通过接触引导促进了细胞排列，显著增强了肌生成分化相关基因（如MyoD1、α-actinin、myosin heavy chain、MHC）和细胞融合（myomaker、MYMK）的表达。CFD模拟显示，沟槽创造了低剪切力的微环境（最小平均FSS：3.93 × 10^?2 Pa，最大：1.18 × 10^?1 Pa），有效避免了高FSS造成的损伤，同时保持了机械刺激。这种最佳的机械微环境进一步激活了早期（MyoD1、myogenin、myocyte enhancer factor 2C，MEF2C）和晚期（α-actinin、myosin heavy chain 2，Myh2）肌生成分化相关基因的表达。平面和球形微载体的肌生成分化效率较低。本研究阐明了沟槽结构与沟槽内低FSS微环境之间的协同作用机制，为结合仿生拓扑结构和流体动力学特性的新型支架设计提供了理论依据，适用于大规模培养肉生产。

部分内容摘要

细胞培养与肌生成分化诱导

使用C2C12细胞（Solarbio，北京，中国），在含有高葡萄糖DMEM基础培养基（Gibco，Grand Island，NY，美国）并添加10%胎牛血清（FBS，ExCell Bio，上海，中国）的培养基中，在T75培养瓶中进行培养。常规细胞培养和传代过程中，细胞在37°C、5% CO₂条件下培养，每2天更换一次新鲜培养基。当细胞密度达到约70%时，使用0.25%胰蛋白酶-EDTA进行细胞解离，以便进行亚培养或冷冻保存。

可食用片状微载体及肌肉细胞微组织的制备工艺

我们实验室之前的肌肉组织工程研究表明，200微米的沟槽能有效引导肌母细胞排列、促进肌管形成并增强myogenin的表达（21）。据此，本研究使用AutoCAD（Autodesk，San Rafael，CA，美国）设计了具有200微米沟槽的模型（沟槽深度：200微米），并将沟槽间距设定为100微米。通过3D打印技术制备了带有微沟槽图案的模具。

讨论

本研究表明，在动态培养条件下，含有200微米平行表面沟槽的玉米醇溶蛋白/岩藻多糖复合微载体显著增强了肌母细胞在旋转瓶中的附着，并显著促进了细胞排列及肌生成分化相关蛋白（如MHC）的表达。其分化效率明显高于商业化的球形载体（Cultispher-S），这与先前关于沟槽诱导细胞定向的研究结果一致。

CRediT作者贡献声明

熊万利：撰写——初稿撰写、数据可视化、软件使用、方法设计、实验设计、数据分析、概念构思。葛成新：撰写——审稿与编辑、结果验证、方法设计、实验设计。张博涛：撰写——审稿与编辑、软件使用、方法设计。陈子英：方法设计、实验设计。郭玉哲：方法设计、实验设计。卢巧辉：方法设计、实验设计。谭文松：项目监督、资源调配、项目管理。周燕：撰写——审稿与

数据获取

本研究分析的数据集可应合理请求向通讯作者获取。

科学写作中关于生成式AI的声明

作者在本文的撰写过程中未使用任何形式的AI辅助工具。

致谢

作者感谢生物反应器工程国家重点实验室和华东科技大学的财政支持。作者声明没有已知的可能影响本文研究结果的财务利益冲突或个人关系。