基于实验设计法优化细胞外基质组合促进内皮分化的研究及其在3D生物打印中的应用

本研究针对干细胞向内皮细胞分化效率低的关键问题，通过实验设计(DoE)方法系统优化了细胞外基质(ECM)组合。研究人员发现胶原I(C)、胶原IV(CIV)和层粘连蛋白411(LN411)的组合(EO配方)显著优于常用基质胶(Matrigel)，并揭示了TGFβ信号通路的抑制作用。该研究首次实现了3D生物打印中空间定义内皮分化，为组织工程血管化提供了新策略。

　　

在组织工程和再生医学领域，如何高效诱导干细胞分化为功能性的内皮细胞始终是个关键挑战。虽然人们早已认识到细胞外基质(ECM)在细胞命运决定中扮演重要角色，但传统使用的基质胶(Matrigel)存在成分复杂、批次差异大等缺陷，更重要的是其诱导效率有限。更棘手的是，现有研究多聚焦于单一ECM组分的作用，缺乏对多种ECM协同效应的系统研究。明尼苏达大学科学与工程学院生物医学工程系的研究团队在《Scientific Reports》发表的研究，通过创新的实验设计(DoE)方法破解了这一难题。

研究人员采用阶梯式研究策略：首先通过两水平析因实验筛选关键ECM组分；继而采用响应面回归确定最优配比；最后通过3D生物打印验证空间控制分化的可行性。研究使用人诱导多能干细胞(hiPSCs)作为模型，通过免疫荧光定量CD31表达评估分化效率。

研究结果部分，"优化细胞外基质配方支持内皮分化的DoE方法"显示，析因实验确定C、CIV和LN411对CD31表达呈显著正相关，而LN111和LN511则呈负相关。响应面分析预测的理论最优配方(TheO)含35.6μg/mL C、67.2μg/mL CIV、0.9μg/mL LN411和22μg/mL FN。"验证TheO"部分意外发现不含FN的TheO-FN（后称EO）分化效率最高，达FN对照的3倍。"TGFβ信号在EO驱动内皮分化中的作用"揭示FN通过激活TGFβ信号抑制分化，添加TGFβ抑制剂SB可逆转此效应。"3D生物打印验证"部分证实EO生物墨水能构建连通血管网络，CD31阳性面积显著高于对照组。

在机制层面，研究阐明了ECM通过整合素-β-catenin-Notch信号轴促进中胚层和动脉基因表达的分子通路。特别重要的是，发现FN-TGFβ-TIMP3-VEGFR2这一抑制性通路，解释了FN的负面效应。通过3D生物打印，研究首次实现了在复杂结构中空间控制内皮分化，当打印含EO与不含ECM的双组分结构时，EO区域显示出特异性分化。

这项研究的突破性体现在三方面：一是建立了目前最高效的确定性ECM内皮分化体系；二是揭示了ECM组分间精确的协同/拮抗关系；三是开创了通过生物打印ECM实现空间控制分化的新技术路径。这不仅推进了对ECM生物学作用机制的认识，更为组织工程中血管网络构建提供了可编程的解决方案，对心脏、肝脏等器官芯片和再生医学具有重要应用价值。