I型胶原蛋白——是人体中普遍存在的一种蛋白质 ， 存在于不同组织中 ， 包括肌肉骨骼组织 ， 如骨骼、肌腱和韧带 ， 以及非肌肉骨骼组织 ， 包括角膜、血管和皮肤 。 在生理条件下 ， 胶原蛋白分子可以自我组装 ， 聚合形成纤维并形成水凝胶 。 使用I型胶原蛋白作为生物材料具有几个优点 ， ——生物相容性、生物可降解性以及具有支持细胞附着、生长和分化的生物活性位点等 。 基于这些优势 ， I型胶原蛋白是一种非常重要的生物材料 ， 也是组织工程应用的首选材料 。
目前 ， 由于易于获得和相对较低的成本 ， 动物来源的I型胶原蛋白（例如牛皮、猪皮、鼠尾）仍然是再生医学应用的常见选择 。 虽然人源和动物来源的胶原蛋白有一些相似之处 ， 但氨基酸组成的细微差异会影响胶原蛋白的理化特性、细胞应答和组织重塑 ， 并最终影响组织和器官功能 。 此外 ， 动物来源的胶原蛋白可能引发免疫并发症和疾病传播风险 ， 这也值得注意 。
近期的研究报告 ， 使用了美国Humabiologics Inc公司的人体皮肤来源的胶原蛋白——HumaDerm ， 它是一种应用于组织工程的无异源生物材料 。 使用人源胶原蛋白可以显著减少FDA审批相关的监管压力 ， 加快科研成果的临床转化 。
人源I型胶原蛋白的结构和细胞培养特性
通过SEM成像以定性评估I型胶原蛋白水凝胶的纤维组织结构 。 牛源及人成纤维细胞和鼠尾I型胶原蛋白水凝胶表现出类似的薄且松散堆积的纤维形态（图1A上排） 。 相比之下 ， 人皮肤来源的I型胶原蛋白表现出独特的高密度胶原纤维形态 ， 而人胎盘I型胶原蛋白水凝胶则表现出较低的密度但较粗的纤维 。 总之 ， 这些结果证实I型胶原蛋白水凝胶中胶原蛋白纤维的组织结构在不同物种、不同组织来源和不同提取方法之间存在很大差异 。
通过染色测定法评估接种在I型胶原蛋白水凝胶上的人间充质干细胞 (hMSC)的活力 。 结果显示在所有测试条件下都具有高细胞活力（图1A下排） 。
图1.水凝胶的SEM成像显示不同组织来源、不同物种和提取方法之间 ， 胶原纤维形态存在差异 。 LIVE/DEAD成像表明 ， 随着时间的推移 ， hMSC在I型胶原蛋白水凝胶上保持活力 。 【1】
3D培养和药物筛选
将Caco-2结肠直肠癌细胞包裹在水凝胶基质（I型鼠尾胶原蛋白和I型人皮肤来源胶原蛋白）中 。 选择鼠尾I型胶原蛋白是因为它通常用于癌症类器官的形成和药物筛选研究 。 3D肿瘤细胞团暴露于多种浓度的化疗药物中 ， 如5-氟尿嘧啶(5FU)和Regorafenib 。 这两种药物都是治疗结直肠癌常用的临床批准的化疗药物 。 在第0天、第1天、第4天和第7天对肿瘤细胞团进行ATP活性定量和活/死细胞染色实验 ， 活/死细胞染色结果与ATP活性数据一致 ， 表明暴露于1μm Regorafenib或5FU的3D肿瘤细胞团随着时间的推移具有升高的ATP活性和扩增calcein-AM阳性细胞 ， 而更高的浓度却得出相反的结果（图2） 。 值得注意的是 ， 人皮肤组织来源的I型胶原蛋白培养的3D肿瘤细胞团在ATP活性和细胞活力方面对Regorafenib与5FU的反应表现出更明显的差异 。 这些差异可能影响3D肿瘤模型开发、药物筛选应用的成功或失败 。
【医学人源I型胶原蛋白在再生医学和3D打印中的应用前景】
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图2.结直肠癌的LIVE/DEAD可视化3D细胞团的增长情况与之前的定量数据相互验证 ， 表明3D肿瘤细胞团在很大程度上以剂量依赖方式对化疗药物作出反应 。 实验中 ， 1、10和100 μm浓度给药后的第1、4和7天 ， 用calcein AM（绿色）和ethidium homodimer-1（红色）染色的结直肠癌Caco-2 3D细胞团的荧光显微镜图像（n=3） 。 条件包括瑞戈非尼（上）和5-氟尿嘧啶（下）处理的 I 型鼠尾胶原蛋白和人皮肤来源I型胶原蛋白3D肿瘤细胞团 。 用calcein AM染色的绿色活细胞 ， 用ethidium homodimer-1染色的红色死细胞 。 比例尺1:100 μm 。 【1】
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