Thicker three-dimensional tissue from a"symbiotic recycling system" combining mammalian cells and algae

利用哺乳動物細胞與藻類的"共生回收系統"構建更厚三維組織

來源：Scientific Reports, Volume 7, Article number: 41594 (2017)

《科學報告》，第7卷，文章編號41594（2017年）

 

摘要

這篇論文報道了一種創新的體外共培養系統，將哺乳動物細胞（C2C12小鼠成肌細胞和大鼠心肌細胞）與藻類（Chlorococcum littorale）結合，創建三維組織。在共培養系統中，藻類能主動產生氧氣，而哺乳動物細胞消耗氧氣。這種共生關系使多層心肌細胞組織的代謝從無氧呼吸部分轉變為有氧呼吸，顯著降低了葡萄糖消耗、乳酸產生和培養基中氨含量。組織學觀察顯示，與藻類共培養的心肌組織狀態良好，厚度達到160微米，而單獨培養的組織出現分層和損傷。該研究提出了哺乳動物細胞與藻類共生的體外"回收系統"概念。

 

研究目的

研究目的是開發一種哺乳動物細胞與藻類的共培養系統，通過模擬自然界的共生關系，解決三維組織工程中因缺乏血管網絡而導致的氧氣和營養供應限制問題，從而創建更厚的功能性三維組織。

 

研究思路

研究思路包括：首先驗證藻類在哺乳動物細胞培養條件下（30°C）的氧氣生產能力；然后建立哺乳動物細胞片與藻類的共培養系統；通過測量氧氣濃度、代謝物變化和組織形態學指標，評估共培養系統對多層細胞組織存活和功能的影響；最后探討這種共生系統在組織工程中的應用潛力。

 

測量的數據及研究意義

1 氧氣濃度測量：使用Unisense氧微電極傳感器測量培養皿中不同位置的氧氣濃度。數據顯示藻類在光照下能主動產生氧氣，使培養基中氧氣濃度超過飽和水平；在黑暗條件下藻類轉為消耗氧氣。這些數據來自圖1C和圖2。研究意義：證實藻類能在哺乳動物細胞培養條件下提供氧氣，且氧氣供應可通過光照調控。

 

 

2 代謝物分析：測量葡萄糖消耗、乳酸產生和氨含量。共培養使多層心肌組織的葡萄糖消耗和乳酸產生顯著降低，乳酸/葡萄糖比率從約1.8降至1.4，表明代謝從無氧呼吸轉為有氧呼吸。氨含量減少至單獨培養的1/7-1/8。這些數據來自圖3和表2。研究意義：顯示共生系統改善了組織代謝環境，藻類利用哺乳動物細胞的代謝廢物（如氨），實現了營養回收。

 

 

3 組織學評估：通過HE染色觀察組織形態，測量肌酸激酶（CK）釋放評估細胞損傷。共培養組織保持完整結構，厚度達160微米，CK釋放減少至1/5以下；單獨培養組織出現分層。這些數據來自圖4和圖5。研究意義：證明共生系統能顯著改善厚組織的存活狀態，突破無血管組織厚度限制（通常40-80微米）。

 

 

 

結論

論文得出結論：哺乳動物細胞與藻類的共培養系統成功模擬了自然界的共生關系，藻類提供氧氣并利用代謝廢物，顯著改善了三維組織的生存環境，使組織厚度達到160微米，突破了傳統無血管組織的厚度限制。這種"共生回收系統"為組織工程、再生醫學和藥物篩選提供了新策略。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense氧微電極測量的數據為研究提供了關鍵的定量證據。該電極能精確測量培養皿中不同深度的氧氣濃度梯度（圖1C），顯示藻類在光照下產生的氧氣濃度超過飽和水平，且在共培養系統中能維持氧氣供應（圖2）。這種高分辨率空間測量證實了藻類在共生系統中的氧氣生產者角色，并揭示氧氣分布與組織代謝狀態的直接關聯。研究意義在于：Unisense電極的數據驗證了共生系統的核心機制——氧氣動態平衡，為理解代謝改善（如乳酸/葡萄糖比率降低）提供了直接證據。這種實時、局部的氧氣監測技術對優化三維培養系統具有重要價值，為開發更復雜的組織工程模型奠定了基礎。