传统的二维细胞培养平台通常由硬质的聚苯乙烯或者玻璃制成，由此培养的细胞表现出病态甚至异常的行为：扁平的形貌，不正常的极化……因此，发展出能够为细胞提供更接近天然培养环境的3D培养系统，以更准确地反应细胞行为成为了病理学和药物研究中备受关注的课题。水凝胶能够提供与细胞外基质相似的力学性能、足够支撑细胞的机械强度，成为3D细胞培养系统的首选材料。天然的生物大分子组成的水凝胶由于其固有的生物相容性具有很好的可行性，但是他们不具有很好的修饰调节性，易于污染和很大的批次差异性。相比之下，DNA水凝胶由于其天然的可编程性和生物相容性，在3D细胞培养中具有很大的优越性。

于此，ZJUI邵昉伟课题组首次将树枝状DNA自组装合成水凝胶并应用于3D培养体系，得到了令人满意的性能，该成果发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上，题为“Self-Assembly of Dendritic DNA into a Hydrogel: Application in Three-Dimensional Cell Culture”（DOI：10.1021/acsami.1c14445）。该水凝胶在室温和生理条件下能够在几分钟内成胶，并且在纳摩尔浓度下就可以具有可调节的机械性能和可逆的触流变性，能够保证细胞的回收和反复成胶；通过调节树状DNA和连接链之间的比例，不需要改变支链的长度和序列，可以得到不同机械强度和孔径大小的水凝胶。将水凝胶原位装载细胞后，癌细胞和正常细胞表现出很强的增殖能力，甚至得到了成球细胞团（Sphere Formation）等类组织的细胞形态。另外，利用树枝状DNA的功能链可以来调控细胞生长行为。文中探索了在树枝状DNA上装载的细胞适配体链，明显抑制了A549细胞的生长。这种树枝状DNA组装的新型水凝胶可以为药物释放、药物筛选、细胞治疗、组织工程学和其他生物医学技术提供一种可灵活调节的、易于功能化、易于成胶的3D细胞培养平台。

▲ 示意图1：树枝状DNA自组装形成水凝胶用于3D细胞培养的过程。图中颜色相同的部分表示DNA链能够互补。

▲图1：对DDH水凝胶的表征。（A）通过改变[D]/[L]来优化水凝胶的交联性能；（2）不同浓度[D]下，DDH流变模量变化。G’表示存储模量，G”代表损失模量；（3）剪切应变从0.1%振荡到10000%时，水凝胶可以进行可逆凝胶-溶胶转换（[D]=200 μM）；（4）水凝胶的SEM 图 ([D]=200 μM)；（5）不同浓度DNA酶I对1 μM DDH (A-E)和1 mM Y型DNA水凝胶(F-G)的酶降解过程A) 0, B) 0.25, C) 0.5, D) 1.2, E) 2.5, F) 0, and G) 1.2 U/μg DNA。

▲图2：分别在水凝胶1（C-DDH1）(A)和2D培养板(B)培养的A549细胞。上面为培养48h后，对细胞用溶酶体追踪试剂盒进行染色的三维叠加荧光图像（红色）；用Calcein-Am(活细胞-绿色)和PI(死细胞-红色)染色的细胞三维堆叠(中间)和荧光图像(下，右)来测定细胞在96h后的活力；A549细胞的显微镜图像(下，左)，其中用圆圈圈出了细胞菌落。

▲图3：在水凝胶2（C-DDH2）中培养的A549细胞。72 h后细胞球体的明场图（A）和三维堆叠荧光图像（B）；（C）C-DDH2中和2D溶液中的细胞增殖能力对比；（D）细胞球体在不同聚焦高度下的横截面图像。比例尺为40 µm。细胞用CellMask Deep Red Plasma Membrane染色。

▲图4：A549细胞系从C-DDH2中获得细胞后在C-DDH2中进行第二代培养([D] = 200µM)。（A）A549细胞8天内不同时间的显微镜图像。（B）第8天C-DDH2中A549细胞的荧光图像。左:共聚焦图像;右:重建的三维荧光图像。用Calcein-AM(绿色活细胞)和PI(红死细胞)染色测定细胞活力。

▲图5：载适体S的装载的水凝胶S-DDH培养A549和MCF-7细胞系的细胞增殖能力对比。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c14445

Abstract  

With inherent biocompatibility, biodegradability, and unique programmability, hydrogels with a DNA framework show great potential in three-dimensional (3D) cell culture. Here, a DNA hydrogel was assembled by a dendritic DNA with four branches. The hydrogel showed tunable mechanical strength and reversible thixotropy even under a nanomolar DNA concentration. The cell culture medium can be converted into the hydrogel isothermally at physiological temperature. This DNA hydrogel allows both cancer and somatic cells to be seeded in situ and to achieve high proliferation and viability. The bis-entity of dendritic branches enabled the specific loading of bioactive clues to regulate cell behaviors. Thus, the dendritic DNA-assembled hydrogel could serve as a highly biocompatible, readily functionalizing, and easy-casting gel platform for 3D cell culture.

Source：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c14445

▲邵昉伟课题组