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在再生治疗和药物筛选中，体外模型面临挑战。研究人员开展 “利用三因子释放金属有机框架涂层纳米线阵列实现干细胞空间控制多细胞分化” 的研究。结果显示成功构建相关平台，实现精准分化。该成果为构建先进体外模型提供可能。
在生物医学领域，再生治疗和药物筛选对于攻克各种疾病至关重要。然而，传统的体外模型存在诸多问题。在药物发现的临床前阶段，常规动物实验因种间特异性和伦理问题而面临挑战，比如不同物种对药物的反应差异较大，使得实验结果难以准确预测人体反应，而且动物实验的伦理争议也日益受到关注 。为了减少对动物测试的依赖，科研人员不断探索体外药物筛选模型。这些模型从简单的二维单层细胞培养逐渐发展为复杂的三维多细胞系统，如球体、类器官和器官芯片等，旨在更好地模拟真实器官或组织的结构复杂性。但即便如此，在构建能精确模拟器官结构的体外模型时，仍困难重重。
利用干细胞构建器官模拟体外模型被寄予厚望。干细胞具有生成多种细胞类型的独特能力，其中间充质干细胞（MSCs）因其易于从成人组织（如脂肪、骨髓和牙髓）中提取，且使用过程中较少出现安全问题，如畸胎瘤形成和免疫排斥，还具备多能性，可分化为骨、脂肪、软骨和肌肉等多种细胞，成为构建模型的关键资源。不过，MSCs 在培养过程中也遇到了难题，整个培养皿中的细胞群体都暴露在相同的分化培养基中，这使得空间控制分化变得复杂。若要构建模拟器官结构的多细胞体外模型，就需要进行繁琐且耗时的步骤，如细胞分离、精确重新接种和细胞重新附着，这些操作不仅重复性高，还常常导致细胞受损。当试图创建不同细胞类型共存的界面区域时，难度更是大大增加，因为这一现象在真实器官中普遍存在，尤其是在结缔组织周围。
在这样的背景下，韩国成均馆大学（Sungkyunkwan University）等机构的研究人员开展了一项重要研究。他们致力于开发一种先进的细胞培养平台，以实现干细胞的空间控制多细胞分化，相关成果发表在《Nature Communications》上。
研究人员在开展研究时，运用了多种关键技术方法。首先是激光干涉光刻（LIL）技术，通过该技术在统一的基底上制造出纳米线和纳米孔阵列这两种均匀的纳米图案。其次是优化的不对称旋涂法，利用这种方法可以选择性地将 UiO - 67 金属有机框架（MOF）捕获在纳米线阵列上，捕获效率高达 99.8% 。此外，还使用了多种材料表征技术，如场发射扫描电子显微镜（FE - SEM）、粉末 X 射线衍射（PXRD）等，对制备的材料进行全面的结构和性能分析。
研究结果主要包含以下几个方面：
- 三分化因子释放 MOF 纳米颗粒的设计、合成和表征：研究人员选择 Zr6O4(OH)4(BPDC)6（UiO - 67）来实现三种成骨分化因子（ODFs），即抗坏血酸（AA）、β - 甘油磷酸（BGP）和地塞米松（DEXA）的长时间释放。合成的 UiO - 67 呈现出均匀的尺寸（约 170nm）和截顶八面体几何形状，具有高度结晶性和典型的微孔材料特性。实验表明，UiO - 67 能有效负载和释放这三种 ODFs，且释放过程稳定，在 21 天内呈现出逐渐且稳定的累积释放，各因子之间在吸收和释放过程中无干扰。
- FANTA 的制备：研究人员利用 LIL 技术在基底上制造纳米图案阵列，通过优化旋涂过程中的各种参数，如改变旋涂速度、调整溶液粘度和基底亲水性等，最终采用不对称旋涂法，成功地在纳米线阵列中选择性捕获 MOF 纳米颗粒，捕获效率达到 99.8%，构建出功能对齐的纳米颗粒捕获纳米图案阵列（FANTAs），为后续的细胞分化研究奠定了基础。
- MSCs 在 ODF 负载纳米线图案阵列上的自动成骨分化：研究人员通过改变纳米孔和纳米线阵列的尺寸和间隙距离，评估不同参数对 MSCs 分化的影响。结果发现，800S 纳米孔和纳米线阵列具有良好的生物相容性，纳米孔图案促进 MSCs 向脂肪细胞分化，纳米线图案则有利于向成骨细胞分化，其中 800S 纳米线阵列在引导细胞形态向有利于成骨的方向发展方面效果显著，能使成骨细胞形成量增加到对照组的 2.53 倍。使用含有 ODF?UiO - 67 的 800S 纳米线阵列进行成骨分化实验，结果显示，在整个分化周期内，其成骨相关指标，如骨钙素（OCN）表达和矿化水平，均显著高于其他平台，表明该阵列适合 MSCs 的自动成骨分化。
- 统一 FANTA 平台上 MSCs 的空间控制多细胞分化：研究人员在 FANTA 平台上同时诱导 MSCs 的成脂和成骨分化，以模拟骨髓中的功能骨 - 脂界面。实验结果证实，在纳米孔区域，MSCs 在成脂分化培养基和纳米拓扑效应的共同作用下分化为脂肪细胞；在纳米线区域，MSCs 在 MOF 释放的 ODFs 和纳米线引导的细胞形态影响下自动分化为成骨细胞；在纳米孔 - 纳米线界面区域，脂肪细胞和成骨细胞共存。此外，研究还发现通过调整纳米线阵列的形状，如将其部分减少或改变为圆形，可更准确地模拟骨髓界面，进一步验证了 FANTA 平台实现空间控制多细胞分化的能力。研究人员还尝试在 FANTA 平台上诱导生成神经元和软骨细胞，通过应用 PDMS 掩模解决了共培养带来的问题，成功诱导出神经发生和软骨发生，效率分别达到 96% 和 91%，展示了 FANTA 平台在构建特定器官或组织体外模型方面的广阔潜力。
研究结论和讨论部分指出，该研究成功地将三因子释放的 MOF 纳米颗粒精确捕获在指定的纳米图案上，实现了高效的成骨分化（分化效率提高了 80 倍）以及空间控制的多细胞分化（分化选择性超过 98%） 。FANTA 平台具有进一步发展的巨大潜力，通过结合更多关键分化因子和其他类型的纳米材料，可构建更复杂的器官模拟结构。与先前报道的用于细胞分化自动化的方法相比，FANTA 平台更加简单且易于一次性使用，与现有细胞培养协议完全兼容，能够有效减少复杂器官模拟构建中的批次间差异，提高体外模型在药物筛选和生物医学研究中的可靠性和实用性，为骨质疏松等疾病的研究以及基于患者特异性干细胞的治疗提供了重要的技术支持和研究方向，在再生治疗和药物筛选领域具有重要的意义，有望推动生物医学研究和治疗发展取得新的突破。
