DOI: https://doi.org/10.3389/fbioe.2026.1730541
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40313920
تاريخ النشر: 2026-06-19
المؤلف: Xinran Wu وآخرون
الموضوع الرئيسي: الهيدروجيل: التخليق، الخصائص، التطبيقات
نظرة عامة
الإنتاج على نطاق واسع لخلايا الثدييات ضروري لمجموعة متنوعة من التطبيقات، ومع ذلك تواجه تقنيات المفاعل الحيوي الحالية تحديات كبيرة، بما في ذلك تجميع الخلايا، وموت الخلايا الناتج عن إجهاد القص، وعدم الاتساق عبر الدفعات. لتعزيز كفاءة الثقافة، يقدم هذه الدراسة أنابيب هيدروجيل هجين من الكولاجين والألجينات (ColAlgTubes)، التي تعالج قيود أنابيب هيدروجيل الألجينات التي تم تطويرها سابقًا (AlgTubes) والتي كانت تفتقر إلى مواقع الالتصاق وكانت عرضة للكسر.
من خلال تعزيز AlgTubes بألياف الكولاجين النانوية باستخدام جهاز ضغط دقيق جديد، تظهر ColAlgTubes خصائص ميكانيكية محسّنة وتوفر مواقع التصاق أساسية للخلايا المعتمدة على التثبيت. يحمي هذا التصميم المبتكر الخلايا من الإجهاد الهيدروديناميكي ويحافظ على كتلة الخلايا ضمن قطر 400 ميكرومتر، مما يسهل تبادل المغذيات وإزالة النفايات بكفاءة. تؤدي البيئة الدقيقة المحسّنة التي تم تحقيقها باستخدام ColAlgTubes إلى ارتفاع قابلية الخلايا للبقاء وتكاثر سريع، مما ينتج عنه ما يصل إلى $5 \times 10^8$ خلايا/مل—أعلى بمقدار 200 مرة من الطرق التقليدية. يمثل هذا التقدم حلاً قابلاً للتوسع وفعالاً من حيث التكلفة لإنتاج الخلايا على نطاق واسع، مع آثار كبيرة على التكنولوجيا الحيوية، والطب التجديدي، وتصنيع العلاجات.
مقدمة
تؤكد مقدمة هذه الورقة البحثية على الدور الحاسم لخلايا الإنسان والحيوان في التطبيقات الطبية والصناعية، مع تسليط الضوء بشكل خاص على أهمية خلايا الجذع، والخلايا المناعية، وخلايا الثدييات في علاج الأمراض، والنمذجة، وإنتاج العلاجات. يتم التأكيد على الطلب على إنتاج خلايا عالية الجودة من خلال الكميات الكبيرة المطلوبة لمجموعة متنوعة من التطبيقات، مثل علاج احتشاء عضلة القلب ومرض السكري من النوع 1، فضلاً عن اكتشاف الأدوية وهندسة الأنسجة. تواجه الطرق الحالية، وخاصة أنظمة الثقافة ثنائية الأبعاد (2D) وثلاثية الأبعاد (3D)، قيودًا كبيرة، بما في ذلك عدم الكفاءة في قابلية التوسع، وارتفاع معدل وفيات الخلايا، والعوائد المتغيرة بسبب التجميع غير المنضبط والظروف الهيدروديناميكية.
لمعالجة هذه التحديات، يقترح المؤلفون تطوير مفاعلات ميكروبيولوجية ثلاثية الأبعاد قائمة على أنابيب الهيدروجيل، والتي أظهرت وعدًا في الدراسات السابقة من خلال تعزيز نقل الكتلة، وتقليل تجميع الخلايا، وتحسين قابلية الخلايا للبقاء ومعدلات التكاثر. ومع ذلك، تعاني أنابيب هيدروجيل الألجينات الحالية من الهشاشة الميكانيكية وضعف التصاق الخلايا. تقدم هذه الدراسة أنابيب هيدروجيل هجين من الكولاجين والألجينات مصممة للتغلب على هذه القيود من خلال دمج شبكة من ألياف الكولاجين النانوية التي تعزز السلامة الهيكلية وتدعم نمو الخلايا المعتمدة على الالتصاق. تهدف هذه الطريقة المبتكرة إلى تسهيل ثقافة الخلايا على نطاق واسع بتكلفة فعالة، مما يعزز التطبيقات في كلا المجالين الطبي والصناعي.
طرق
في هذا القسم، يتم تفصيل الطرق لاستخراج الكولاجين من ذيول الجرذان وتصنيع أنابيب الكولاجين والألجينات (ColAlgTubes). تم جمع ذيول الجرذان ومعالجتها بـ 70% إيثانول للتعقيم قبل عزل الأوتار ومعالجتها بشكل إضافي. تم نقع الأوتار في حمض الأسيتيك 0.02N لمدة 48 ساعة عند 4 درجات مئوية، تلاها الطرد المركزي بسرعة 10,000 دورة في الدقيقة لمدة 60 دقيقة للحصول على محلول كولاجين مخزون بعد عملية الغسيل.
لإنشاء ColAlgTubes، تم تعديل محلول الكولاجين إلى pH 5.0 وخلطه مع الألجينات في محلول كلوريد الصوديوم بنفس الرقم الهيدروجيني. سهل جهاز ضغط دقيق مخصص عملية الضغط المشترك لمحلول ميثيل السليلوز 2% الذي يحتوي على خلايا مفردة ومزيج الكولاجين والألجينات في محلول عازلة (50 مليمول HEPES + 100 مليمول CaCl₂، pH 7.4). بعد عملية الضغط، تم استبدال المحلول العازل بوسيط ثقافة الخلايا لتعزيز نمو الخلايا، مما يمكّن من تطبيقات إضافية للأنابيب المصنعة.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج الرئيسية للدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من الإجراءات التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود علاقة قوية بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث تؤكد التحليلات الإحصائية على قوة هذه العلاقات. يتم الإبلاغ عن مقاييس محددة، مثل قيم p وفترات الثقة، لدعم صحة النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، قد يتضمن القسم تمثيلات رسومية أو جداول توضح الاتجاهات الملاحظة في البيانات، مما يوفر سياقًا بصريًا للنتائج العددية. بشكل عام، تؤكد النتائج على آثار البحث، مما يشير إلى تطبيقات محتملة أو استفسارات إضافية بناءً على الظواهر الملاحظة.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة من الورقة البحثية الضوء على تطوير ومزايا أنابيب هيدروجيل هجين من الكولاجين والألجينات (ColAlgTubes) كمنصة جديدة لثقافة الخلايا. تواجه طرق ثقافة الخلايا التقليدية ثنائية الأبعاد وثلاثية الأبعاد تحديات مثل انخفاض عوائد الخلايا، وارتفاع التكاليف التشغيلية، والتباين بسبب عدم قدرتها على تكرار البيئات الدقيقة المعقدة الموجودة في الجسم الحي. تعالج ColAlgTubes هذه القيود من خلال توفير بيئة ذات صلة فسيولوجيًا تعزز التصاق الخلايا، والتكاثر، والتمايز، خاصة لخلايا الجذع البشرية متعددة القدرات (hPSCs) وخلايا القلب. إن دمج ألياف الكولاجين النانوية في هيدروجيل الألجينات يحسن بشكل كبير من القوة الميكانيكية والسلامة الهيكلية للأنابيب، مما يقلل من الكسر وتسرب الخلايا مقارنة بالأنظمة السابقة التي تحتوي على الألجينات فقط.
تظهر الدراسة أن hPSCs المزروعة في ColAlgTubes تحافظ على قابلية عالية للبقاء والقدرة على التعدد، مع عائد ملحوظ يزيد عن 4.5 × 10⁸ خلايا/مل. علاوة على ذلك، تم تحقيق تمايز hPSCs إلى خلايا قلبية بنجاح، حيث أعربت الخلايا المحصودة عن علامات رئيسية للخلايا القلبية. تشير النتائج إلى أن ColAlgTubes لا تعزز فقط كفاءة ثقافة الخلايا ولكن أيضًا تسهل عمليات الإنتاج على نطاق واسع، مما يجعلها بديلاً واعدًا للأنظمة الثقافية التقليدية. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على تحسين بروتوكولات التمايز داخل ColAlgTubes لتسهيل إنتاج أنواع خلايا مختلفة حيوية للتطبيقات السريرية.
DOI: https://doi.org/10.3389/fbioe.2026.1730541
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40313920
Publication Date: 2026-06-19
Author(s): Xinran Wu et al.
Primary Topic: Hydrogels: synthesis, properties, applications
Overview
The large-scale production of mammalian cells is essential for various applications, yet existing bioreactor technologies face significant challenges, including cell aggregation, shear stress-induced cell death, and inconsistencies across batches. To enhance culture efficiency, this study introduces collagen-alginate hybrid hydrogel microtubes (ColAlgTubes), which address the limitations of previously developed alginate hydrogel microtubes (AlgTubes) that lacked adhesion sites and were prone to breakage.
By reinforcing AlgTubes with collagen nanofibers using a novel micro-extruder, ColAlgTubes exhibit improved mechanical properties and provide essential adhesion sites for anchorage-dependent cells. This innovative design protects cells from hydrodynamic stress and maintains cell mass within a 400 µm diameter, facilitating efficient nutrient exchange and waste removal. The optimized microenvironment achieved with ColAlgTubes results in high cell viability and rapid proliferation, yielding up to $5 \times 10^8$ cells/mL—200 times higher than conventional methods. This advancement presents a scalable, cost-effective solution for large-scale cell production, with significant implications for biotechnology, regenerative medicine, and therapeutic manufacturing.
Introduction
The introduction of this research paper emphasizes the critical role of human and animal cells in biomedical and industrial applications, particularly highlighting the significance of stem cells, immune cells, and mammalian cells in disease treatment, modeling, and therapeutic production. The demand for high-quality cell production is underscored by the large quantities required for various applications, such as treating myocardial infarction and Type 1 diabetes, as well as for drug discovery and tissue engineering. Current methods, particularly two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) culture systems, face significant limitations, including inefficiencies in scalability, high cell mortality, and variable yields due to uncontrolled aggregation and hydrodynamic conditions.
To address these challenges, the authors propose the development of hydrogel tube-based 3D microbioreactors, which have shown promise in previous studies by enhancing mass transport, reducing cell aggregation, and improving cell viability and proliferation rates. However, existing alginate hydrogel microtubes suffer from mechanical fragility and poor cell adhesion. This study introduces hybrid collagen-alginate microtubes designed to overcome these limitations by incorporating a collagen nanofiber network that enhances structural integrity and supports adhesion-dependent cell growth. This innovative approach aims to facilitate cost-effective large-scale cell culture, thereby advancing applications in both biomedical and industrial fields.
Methods
In this section, the methods for collagen extraction from rat tails and the fabrication of collagen-alginate tubes (ColAlgTubes) are detailed. Rat tails were harvested and treated with 70% ethanol for sterilization before the tendons were isolated and further processed. The tendons were soaked in 0.02N acetic acid for 48 hours at 4°C, followed by centrifugation at 10,000 rpm for 60 minutes to obtain a collagen stock solution after dialysis.
For the creation of ColAlgTubes, the collagen solution was adjusted to pH 5.0 and mixed with alginate in a sodium chloride solution of the same pH. A custom micro-extruder facilitated the co-extrusion of a 2% methylcellulose solution containing single cells and the collagen-alginate mixture into a buffer solution (50 mM HEPES + 100 mM CaCl₂, pH 7.4). Following extrusion, the buffer was replaced with cell culture medium to promote cell growth, enabling further applications of the fabricated tubes.
Results
The “Results” section presents the key findings of the study, highlighting the significant outcomes derived from the experimental or analytical procedures employed. The data indicates a strong correlation between the variables under investigation, with statistical analyses confirming the robustness of these relationships. Specific metrics, such as p-values and confidence intervals, are reported to substantiate the validity of the results.
Additionally, the section may include graphical representations or tables that illustrate the trends observed in the data, providing a visual context to the numerical findings. Overall, the results underscore the implications of the research, suggesting potential applications or further inquiries based on the observed phenomena.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the development and advantages of Collagen-Alginate Hybrid Hydrogel Tubes (ColAlgTubes) as a novel cell culture platform. Traditional 2D and 3D cell culture methods face challenges such as low cell yields, high operational costs, and variability due to their inability to replicate the complex 3D microenvironments found in vivo. ColAlgTubes address these limitations by providing a physiologically relevant environment that enhances cell adhesion, proliferation, and differentiation, particularly for human pluripotent stem cells (hPSCs) and cardiomyocytes. The integration of collagen nanofibers into alginate hydrogels significantly improves the mechanical strength and structural integrity of the tubes, reducing breakage and cell leakage compared to previous alginate-only systems.
The study demonstrates that hPSCs cultured in ColAlgTubes maintain high viability and pluripotency, with a notable yield of over 4.5 × 10⁸ cells/mL. Furthermore, the differentiation of hPSCs into cardiomyocytes was successfully achieved, with the harvested cells expressing key cardiomyocyte markers. The findings suggest that ColAlgTubes not only enhance cell culture efficiency but also streamline large-scale production processes, making them a promising alternative to conventional culture systems. Future research should focus on optimizing differentiation protocols within ColAlgTubes to facilitate the production of various cell types critical for clinical applications.