硫酸化纤维素纳米纤维支架的硫酸含量调控对原代人间充质干细胞粘附增殖行为的影响及其在无血清培养中的应用

本研究针对再生医学中无血清培养系统对动物源成分的依赖问题，开发了具有不同硫酸含量(0-1.69 mmol g-1)的植物源硫酸化纤维素纳米纤维(S-CNFs)支架。研究发现硫酸含量为0.31-0.47 mmol g-1的S-CNFs支架能显著促进原代人骨髓间充质干细胞(hMSCs)的粘附增殖，其效果优于标准聚苯乙烯基质，与动物源I型胶原相当。该研究为开发完全无动物源成分的细胞培养系统提供了新思路。

　　

在再生医学领域，人类间充质干细胞(hMSCs)因其多向分化潜能和旁分泌特性备受关注。然而，传统的体外培养系统普遍依赖动物源成分，如胎牛血清(FBS)和异种胶原，存在批次质量差异、病毒感染风险和免疫排斥等问题。虽然重组人胶原蛋白已商业化，但其高昂成本和翻译后修饰不足导致的生物活性下降仍是挑战。因此，开发完全不含动物源成分(xeno-free)的培养环境成为当务之急。

针对这一难题，九州大学的研究团队创新性地提出使用植物来源的硫酸化纤维素纳米纤维(S-CNFs)作为新型无动物源支架材料。研究人员通过调控硫酸含量(0-1.69 mmol g^-1)，系统研究了S-CNFs支架对原代和永生化hMSCs在无血清条件下培养行为的影响，相关成果发表在《Carbohydrate Polymer Technologies and Applications》上。

研究采用原子力显微镜(AFM)和透射电镜(TEM)表征纳米纤维形貌，通过接触角测量和表面粗糙度分析评估支架特性。细胞实验包括CCK-8法检测细胞增殖、细胞骨架染色观察粘着斑(FA)形成，以及ELISA法分析碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)的吸附释放行为。研究使用原代人髂骨骨髓来源间充质干细胞(MSC-R37)和永生化人骨髓间充质干细胞(UE6E7T-11)作为模型细胞。

在结果部分，"S-CNFs的表征"显示，随着硫酸含量增加，纤维长度显著缩短(从709.9±356.1 nm降至236.9±84.2 nm)，而宽度保持稳定(1.6-2.2 nm)。FTIR证实了S=O(1230 cm^-1)和C?O?S(812 cm^-1)特征峰的存在，zeta电位显示所有S-CNFs都带强负电荷(-55至-70 mV)。

"S-CNFs支架的表征"部分表明，随着硫酸含量增加，支架表面粗糙度(Ra)降低，亲水性减弱(水接触角从27.3°增至50.0°)。这种变化与Wenzel理论预测的表面粗糙度对亲水性的影响一致。

"原代MSCs在S-CNFs支架上的培养行为"部分发现，硫酸含量为0.31-0.47 mmol g^-1的S-CNFs支架支持细胞增殖的效果最佳，与动物源I型胶原(Col-I)相当，显著优于组织培养聚苯乙烯(TCPS)。而硫酸含量超过1 mmol g^-1时，细胞增殖受到抑制。

"原代MSCs在S-CNFs支架上的初始粘附行为"研究显示，培养3小时后，S-CNF0.31-0.71支架上的粘附细胞数量与Col-I相当，而S-CNF1.02-1.69和未修饰CNF支架上的细胞保持圆形，表明粘附失败。

"细胞骨架染色和FA定量分析"部分通过荧光标记发现，S-CNF0.31支架上每个细胞形成的FA数量(154.3±55.1)和总面积(131.7±44.5 μm²)与Col-I(148.2±47.3和118.8±39.2 μm²)相当，而S-CNF1.02支架上FA数量(40.3±37.0)和总面积(39.5±32.4 μm²)显著减少。

"S-CNFs支架与生长因子的相互作用"研究表明，S-CNF0.47支架吸附的bFGF中有10.4%在24小时内释放，远高于Col-I的0.63%，TCPS则未检测到释放。这种可控释放特性可能有助于维持培养系统中生长因子的稳定性。

"S-CNFs支架对培养基稳定性的潜在影响"实验证实，在37℃储存72小时后，S-CNF0.31和Col-I支架上的培养基仍保持良好细胞增殖活性，而TCPS上的培养基活性下降至66%。

这项研究的重要意义在于：首次系统阐明了硫酸含量对S-CNFs支架性能的影响规律，发现0.31-0.47 mmol g^-1是最佳范围；开发出性能与动物源胶原相当的全植物源支架材料；揭示了S-CNFs通过促进FA形成和生长因子稳定来支持细胞生长的双重机制。这些发现为设计新一代无动物源细胞培养系统提供了重要理论基础和技术支撑，对推动再生医学发展具有重要价值。