《ACS Omega》：Electrospun PLA/PCL Composite Scaffolds as Platforms for Investigating Colorectal Cancer Cell Plasticity
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本研究针对传统2D培养缺乏细胞外基质物理线索、难以模拟肿瘤微环境的问题，研究人员开展了利用PLA/PCL(1:1)复合静电纺丝纳米纤维支架进行结直肠癌(CRC)体外建模的研究。研究比较了PLA、PCL及PLA/PCL支架对HT-29和HCT116 CRC细胞系的影响，发现复合支架可促进细胞粘附、增殖，并通过上调VIM、CDH2、COL5A1等基因诱导EMT和干细胞样表型。结果表明，PLA/PCL复合支架是研究CRC细胞可塑性和药物测试的有前景的仿生平台。
在生命科学与医学研究领域，结直肠癌(Colorectal Cancer, CRC)因其高发病率、死亡率和肿瘤内异质性，一直是全球面临的重大健康挑战。传统的体外研究模型，例如在组织培养塑料(Tissue-Culture Polystyrene, TCPS)上进行的二维平面培养，虽然操作简便，却存在一个根本性缺陷：它们无法模拟体内肿瘤微环境的复杂三维结构、物理化学特性和细胞外基质(Extracellular Matrix, ECM)提供的物理信号。这种模拟的缺失，使得许多在简单二维环境中看起来有效的治疗方法，在更接近人体环境的复杂模型中表现不佳，从而导致临床转化失败率高。因此，开发能够更真实地模拟体内肿瘤微环境的先进体外平台，对于深入理解癌症生物学、筛选有效药物、评估治疗策略至关重要，是连接基础研究与临床应用的关键桥梁。
在这一背景下，静电纺丝技术应运而生，成为一种极具前景的解决方案。这种技术能够以经济、灵活的方式，制备出具有可调控结构的微米级和纳米级纤维支架。这些纤维支架的结构与天然的细胞外基质非常相似，能够为细胞提供附着、生长和迁移的三维框架。其中，聚己内酯(Polycaprolactone, PCL)和聚乳酸(Polylactic Acid, PLA)是两种获得美国食品药品监督管理局(FDA)批准、具有优异生物相容性和可降解性的合成高分子材料，被广泛应用于生物医学领域。然而，单一材料的支架往往在机械性能、降解速率或细胞亲和力方面存在局限性。有研究指出，将PLA与PCL共混，可以取长补短，获得综合性能更优的复合材料，例如改善降解速率、机械性能和表面亲水性。尽管如此，针对结直肠癌细胞可塑性，系统性地评估PLA/PCL复合电纺平台的研究仍然有限。结直肠癌作为一种具有独特分子和病理特征的侵袭性肿瘤，其细胞行为如何响应不同组成的支架，特别是PLA/PCL复合支架所提供的微环境，是一个值得深入探索的科学问题。
为此，研究人员在《ACS Omega》上发表了一项研究，旨在探究静电纺丝制备的PLA、PCL及其1:1共混(PLA/PCL)纳米纤维支架，能否作为一种有效的仿生平台，用于研究结直肠癌细胞的粘附、增殖、代谢以及关键的分子表型——特别是上皮-间质转化(Epithelial-Mesenchymal Transition, EMT)和干细胞性(Stemness)。研究人员假设，相比于单一的PLA或PCL支架，PLA/PCL复合支架能够提供一个更有利于结直肠癌细胞存活和功能适应的微环境，从而更有效地模拟肿瘤细胞的某些关键行为特征。
为开展这项研究，研究人员主要采用了以下几项关键技术方法：
首先，通过静电纺丝技术，在严格控制工艺参数(如电压、流速、距离)的条件下，制备了PLA、PCL和PLA/PCL(1:1)三种纳米纤维支架。随后，利用扫描电子显微镜(SEM)观察支架的纤维形态和直径，傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析化学结构，差示扫描量热法(DSC)测定结晶度，并测量水接触角以评估表面润湿性。在生物学评估方面，研究选用了两种具有不同表型的结直肠癌细胞系：HT-29(高分化、上皮特性)和HCT116(低分化、间质样特性)。细胞在支架上培养后，通过活/死染色、MTT法、Alamar Blue法分别评估细胞活性、增殖和代谢。最为核心的是，通过实时定量逆转录聚合酶链式反应(qRT-PCR)分析了与EMT(VIM, CDH1, CDH2)、干细胞性(CD133)、细胞外基质相互作用(COL5A1)和细胞粘附(ICAM1)相关的关键基因的表达变化。
研究结果如下：
支架的物理化学表征：SEM图像显示，所有支架均形成了均匀、无串珠的纤维，平均纤维直径分别为PLA (460 ± 0.43 nm)、PCL (580 ± 0.37 nm)、PLA/PCL (730 ± 0.37 nm)。FTIR分析表明PLA/PCL共混纤维中存在潜在的氢键相互作用。水接触角测量显示所有支架都呈现疏水性(PLA: 115°, PCL: 120°, PLA/PCL: 119°)。DSC分析显示PCL的结晶度高于PLA，而在PLA/PCL共混物中，两者的结晶度发生了交互影响。
细胞在支架上的形态和活性：明场显微镜观察显示，两种细胞在纯PLA支架上附着稀疏、形态较圆，在PCL和PLA/PCL支架上附着更好。特别是PLA/PCL复合支架上的细胞分布更均匀，HCT116细胞甚至出现致密簇集，表明其提供了更适宜的微环境。活/死染色证实，两种细胞在所有支架上均保持高活性，但在PLA/PCL支架上活细胞分布更密集，尤其是HCT116细胞。
细胞增殖和代谢：MTT实验表明，两种细胞在三种支架上均呈现时间依赖性的增殖。虽然统计差异不显著，但HT-29和HCT116细胞在PLA/PCL支架上第5天的增殖倍数最高。Alamar Blue代谢实验也观察到类似的趋势，HCT116细胞在PLA/PCL支架上第5天的代谢活性最高，与增殖数据一致。
基因表达谱分析：qRT-PCR结果揭示了支架组成对细胞分子表型的深刻影响。对于HT-29细胞，在PLA/PCL支架上培养后，间质标志物VIM、CDH2，ECM相关基因COL5A1，干细胞标志物CD133以及粘附分子ICAM1的表达均显著上调，而上皮标志物CDH1在PCL上上调，在PLA/PCL上中度增加，表明复合支架诱导了更强的EMT倾向、干细胞特性和细胞-基质相互作用。对于HCT116细胞，在PLA/PCL支架上，VIM、CDH1、CDH2和COL5A1均被强烈诱导上调，表现出上皮和间质标志物共表达的“混合EMT”表型。CD133在PCL支架上表达最高，而ICAM1的表达在不同支架间无显著变化。总体而言，PLA/PCL复合支架在两种细胞系中都诱导了最显著的EMT、ECM重塑和相关基因的上调。
研究结论与讨论：
本研究系统性地评估了PLA、PCL及其复合静电纺丝支架对结直肠癌细胞系HT-29和HCT116的生物学效应。研究结论明确指出，PLA/PCL(1:1)复合纳米纤维支架在模拟结直肠癌细胞的关键恶性表型方面展现出显著优势。
相比于单一聚合物支架，PLA/PCL复合支架在物理化学性质上实现了平衡，其纤维形貌、表面化学和力学性能的协同作用，为细胞创造了更适宜的微环境。这直接体现在生物学结果上：复合支架促进了HT-29和HCT116细胞更好的早期粘附、更均匀的分布，并在长期培养中维持了较高的增殖和代谢活性。更重要的是，基因表达分析提供了强有力的分子证据。PLA/PCL支架能够显著上调与EMT(VIM, CDH2)、ECM重塑(COL5A1)、干细胞性(CD133, 在HT-29中)和细胞粘附(ICAM1, 在HT-29中)相关的关键基因。值得注意的是，HCT116细胞在复合支架上表现出了CDH1与间质标志物共表达的“混合EMT”表型，这正是癌症细胞具有高可塑性和侵袭潜能的特征。
这项研究的重要意义在于，它首次系统地将PLA/PCL复合电纺纳米纤维支架确立为一个研究结直肠癌细胞可塑性的仿生平台。该平台巧妙地在相对简单的二维培养体系中，引入了三维仿生的物理和化学线索，从而能够诱导出更接近体内肿瘤的细胞行为（如EMT、干细胞性），而这些行为在传统二维塑料培养皿中往往难以充分展现。因此，PLA/PCL复合支架有望作为连接传统简单2D培养与复杂昂贵3D模型（如类器官）之间的一个有效桥梁，为结直肠癌的体外建模、药物敏感性测试、转移机制研究和临床前评价提供了一个更具生理相关性、且易于操作和扩展的新工具。尽管研究存在未包含正常结肠上皮细胞对照和常规TCPS直接对比等局限，但其结果为未来开发更先进的癌症研究模型奠定了重要的材料学和生物学基础，推动了组织工程与癌症生物学交叉领域的进步。
