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为解决传统人诱导多能干细胞（hiPSCs）培养平台存在的如成分不明确、成本高、易使 hiPSCs 处于分化潜能较低的启动态等问题，研究人员开展基于交联环硅氧烷聚合物基质的 hiPSCs 培养平台研究，结果表明该平台能维持 hiPSCs 多能性并诱导类原始态特征，为相关研究和应用提供新途径。
在生命科学和医学领域，人诱导多能干细胞（hiPSCs）因其具有分化成各种细胞类型的潜能，在再生医学方面展现出巨大的前景。然而，当前 hiPSCs 的培养面临着诸多挑战。传统培养方法，如依赖饲养细胞或细胞外基质（ECM）的培养方式，存在着成分不确定、成本高昂的问题，这限制了其大规模应用。更重要的是，这些方法常常使 hiPSCs 处于启动多能态（primed pluripotent state），相比原始多能态（na?ve state），启动态的 hiPSCs 分化潜能较低，无法充分发挥其在再生医学中的价值。此外，从启动态转化为原始态的现有方法不仅过程复杂，而且成本高昂。在这样的背景下，开发一种简单、经济且能维持 hiPSCs 多能性并诱导其呈现原始态特征的培养平台迫在眉睫。
韩国科学技术院（KAIST）的研究人员针对上述问题展开了深入研究。他们致力于开发一种新型的 hiPSCs 培养平台，最终成功构建了基于交联环硅氧烷聚合物基质的培养体系。该研究成果发表在《BIOMATERIALS RESEARCH》上，为 hiPSCs 的研究和应用开辟了新的方向。
研究人员在开展此项研究时，运用了多种关键技术方法。首先，通过水接触角、傅里叶变换红外光谱（FT - IR）和 X 射线光电子能谱（XPS）对交联环硅氧烷聚合物基质进行表面表征，以确定其化学组成和性质。接着，采用定量实时聚合酶链反应（qRT - PCR）、免疫细胞化学（ICC）、流式细胞术等技术，对 hiPSCs 的多能性相关蛋白表达、基因表达情况进行检测。此外，还利用 mRNA 测序（mRNA - seq）分析不同培养条件下 hiPSCs 的基因表达谱差异，并通过基因本体分析（GO analysis）和基因集富集分析（GSEA）探究相关生物学过程。同时，借助胚胎体形成实验、三系分化实验和畸胎瘤实验评估 hiPSCs 的分化能力。
研究结果
- 交联环硅氧烷聚合物涂层板的构建与表征：研究人员通过在组织培养板上使 2,4,6,8 - 四甲基 - 2,4,6,8 - 四乙烯基环四硅氧烷（V4D4）和 2,4,6,8 - 四甲基环四硅氧烷（TMCTS）在 Karstedt 催化剂作用下发生氢化硅烷化反应，成功制备了交联环硅氧烷聚合物涂层板。通过改变 V4D4 和 TMCTS 的比例，制备了一系列聚合物基质。表征结果显示，所制备的聚合物基质疏水性增强，且 FT - IR 和 XPS 分析证实了聚合物基质的形成及化学组成变化。
- 确定 hiPSCs 培养的最佳聚合物基质：研究人员将 hiPSCs 培养在具有不同 V4D4/TMCTS 比例的交联环硅氧烷聚合物涂层板上，并与传统的玻连蛋白（VN）涂层板培养体系进行比较。结果发现，在 V4D4/TMCTS 比例为 4:1 的聚合物基质上，hiPSCs 形成球体的能力最强，细胞增殖速率最高，多能性相关基因 OCT4 和 NANOG 的表达也最高。综合评估后，将该比例的聚合物命名为 “poly - Z”，确定其为最适合 hiPSCs 培养的基质。
- hiPSCs 在 poly - Z 上长期培养维持多能性：经过 60 天在 poly - Z 或 VN 涂层板上的培养，研究人员通过 ICC 染色和流式细胞术分析发现，hiPSCs 球体和 hiPSCs 集落均能表达多能性标记蛋白，且 poly - Z 培养的 hiPSCs 球体中表达 SSEA - 4 和 TRA - 1 - 81 的细胞比例更高。此外，核型分析表明，poly - Z 培养的 hiPSCs 球体在长期培养后仍能维持正常核型，证明其遗传稳定性。
- 长期培养的 hiPSCs 球体在 poly - Z 上分化为三个胚层：研究人员通过体外定向分化实验、胚胎体形成实验和体内畸胎瘤实验评估了 poly - Z 培养的 hiPSCs 球体的分化能力。结果显示，hiPSCs 球体能够成功分化为内胚层、中胚层和外胚层，且分化效率与 VN 培养的 hiPSCs 相当，表明 poly - Z 培养的 hiPSCs 球体在长期培养后仍能维持多能性并分化为三个胚层。
- poly - Z 培养的 hiPSCs 球体的基因表达谱表明其处于类原始态：通过 mRNA - seq 比较 poly - Z 培养 60 天的 hiPSCs 球体与 VN 涂层板培养的 hiPSCs 的基因表达谱，发现 poly - Z 组中一些典型的多能干细胞标记基因表达水平与 VN 组相似，但原始态标记基因 DPPA3 和 DPPA5 显著上调。进一步分析发现，VN 培养的 hiPSCs 表现出与启动态多能性相关基因的上调，而 poly - Z 培养的 hiPSCs 则表现出与原始态多能性相关基因的上调。
- poly - Z 培养的 hiPSCs 球体与传统培养方法的比较：与传统悬浮培养的 hiPSCs 球体相比，poly - Z 培养的 hiPSCs 球体形态更均匀、紧凑，且细胞增殖能力更强。在长期培养 60 天后，poly - Z 培养的 hiPSCs 球体中原始态相关基因 DPPA3 和 DPPA5 的表达显著上调，而启动态标记基因 ZIC2 和 SOX11 的表达显著下调，表明 poly - Z 能够维持 hiPSCs 的多能性并促进其呈现类原始态特征，而传统培养方法使 hiPSCs 处于启动态。
- poly - Z 培养的 hiPSCs 球体中类原始态特征的诱导与 ECM 组织的下调有关：GO 分析和 GSEA 发现，poly - Z 培养的 hiPSCs 中糖酵解相关生物过程上调，而 ECM 组织过程和细胞 - ECM 相互作用相关基因表达下调。进一步实验表明，增加整合素表达会抑制 poly - Z 上 hiPSCs 球体的形成，并降低原始态多能性标记基因的表达，上调启动态标记基因的表达，说明细胞与 ECM 之间的相互作用下调在促进 poly - Z 培养的 hiPSCs 球体的类原始态多能性中起关键作用。
研究结论与讨论
本研究成功开发了一种基于交联环硅氧烷聚合物基质的 hiPSCs 培养平台，该平台能够以球体形式长期培养 hiPSCs，并促进其呈现类原始态特征，且无需额外试剂或基因插入。与传统培养方法相比，poly - Z 在维持 hiPSCs 多能性、促进细胞增殖和诱导类原始态特征方面表现更优。这一成果为人类多能干细胞研究和再生医学应用提供了一种简单、经济且高效的培养平台。
然而，该研究也存在一定的局限性。目前主要是验证了交联环硅氧烷聚合物基质作为 3D 培养平台的潜力以及 hiPSCs 球体的基因表达变化，对于降低整合素信号对 hiPSCs 长期影响的研究还不够深入，如对 hiPSCs 存活、分化潜能以及在其他培养底物上诱导原始多能性的影响，特别是细胞内信号改变层面。此外，还需要对 hiPSCs 球体的基因组稳定性和致瘤性进行更全面的分析，如亚染色体分析、体内终末分化水平和长期致瘤性评估等。这些后续研究将有助于深入理解 hiPSCs 球体获得类原始态多能性的细胞内机制，推动其在临床中的应用。
总体而言，该研究成果为 hiPSCs 的研究和应用带来了新的突破，交联环硅氧烷聚合物基质具有良好的应用前景，有望推动人类多能干细胞研究和再生医学的进一步发展。
