基质胶与细胞因子技术指南：从基础原理到前沿应用的全面解析
基质胶的来源与分类
基质胶是从Engelbreth-Holm-Swarm (EHS)小鼠肉瘤中提取的基底膜基质复合物。这种天然来源的基质胶含有丰富的细胞外基质蛋白和生长因子，为细胞提供类体内的微环境。
制备过程：EHS肿瘤组织→匀浆→盐溶液提取→透析→冷冻干燥→液态基质胶（4℃保存）
物理性质：在低温（4℃）下是液态；当温度升高到室温或体温（37℃）时，会迅速聚合形成凝胶。
| 类型 | 特点 | 应用场景 |
|---|---|---|
| 标准型 | 含天然生长因子，促进多种类型细胞的分化 | 2D细胞培养（用于包被培养板、维持细胞特异性表型）、3D细胞培养（支持类器官形成、构建肿瘤球模型）、细胞功能实验（血管生成实验、细胞侵袭实验） |
| 生长因子减除型 (GFR) | 去除大部分生长因子、保留基底膜结构完整性 | 信号通路研究、基因表达分析 |
| 高浓度型（HC） | 蛋白浓度在18-22 mg/mL,高浓度的蛋白使基质胶更具基质刚度和支架完整性。 | 长期3D培养模型构建（类器官成熟与功能维持、干细胞长期分化实验）、高侵袭性细胞的侵袭实验、组织工程与再生医学研究、药物耐药性长期评估 |
| 类器官专用型 | 仿生成分设计、精准因子调控和长期结构稳定性 | 类器官的高效构建与长期维持（原代类器官培养、长期传代与功能成熟）、疾病模型与机制研究（肿瘤类器官建模、遗传疾病建模）、药物筛选与个性化医疗（药敏测试、毒性评估） |
| 干细胞专用型（ESC） | 仿生成分设计、信号调控适配性和高稳定性 | 干细胞的体外扩增与干性维持（胚胎干细胞/诱导多能干细胞培养、成体干细胞扩增）、干细胞定向分化研究、干细胞移植与细胞治疗研究 |
- 生产物料为不含LDEV病毒的小鼠肉瘤
- 经过微生物检测，未发现细菌、真菌和支原体
- 通过BCA方法测定蛋白浓度
- 通过鲎（hòu）试剂盒测定内毒素水平
- 在37 °C下进行7-14天凝胶稳定性测试
- 利用鸡胚本根神经节培养神经轴突生长试验测定基质的生物活性
基质胶的相关实验
血管生成指从已有血管形成新血管的过程，涉及内皮细胞增殖、迁移和管腔分化。在体外实验中，
-
基质胶提供类似基底膜的微环境，可诱导内皮细胞黏附、伸展并连接成网状结构；
-
内皮细胞在机制上响应促血管生成因子，通过整合素信号激活细胞骨架重组，6~18小时内形成管状网络。
1. 实验操作步骤：
- 细胞准备：将对数生长期培养的内皮细胞消化后，用含10%FBS的培养基重悬，调整浓度至2~3×10⁵ cells/mL（96孔板每孔接种2×10⁴细胞）。
- 铺基质胶：基质胶解冻后，按照每孔50-60μL的量加入预冷96孔板培养孔中，并轻轻摇晃培养板，使基质胶均匀铺于培养孔孔底，然后置于37℃细胞培养箱聚合30 min.
- 接种：将细胞悬液轻柔加入胶面（每孔50~100 μL），避免冲击胶体。37℃、5% CO₂培养箱中培养，6~18小时观察成管（时间因细胞状态和促血管因子浓度而异）。
- 定时观察：显微镜下观察成管情况，同时采集照片。
2. 结果示例：
3.实验中可能使用的细胞因子
- 促血管生成核心细胞因子：血管内皮生长因子（VEGF）、成纤维细胞生长因子（FGF）、血管生成素（Ang）等
- 协同调控因子：血小板衍生生长因子（PDGF）、转化生长因子-β（TGF-β）、表皮生长因子（EGF）、肿瘤坏死因子（TNF-α）等
- 其他辅助因子：胰岛素样生长因子（IGF）、肝细胞生长因子（HGF）等
研究细胞（尤其是肿瘤细胞、免疫细胞等）穿过基底膜或基质屏障能力的重要体外实验方法，常用于评估细胞的侵袭潜能、探究肿瘤转移机制或筛选影响细胞侵袭的药物等。
1.实验步骤（ Transwell 法为例）
- 基质胶准备：将基质胶（如 Matrigel）在冰上融化，用无血清培养基稀释至合适浓度（通常 50-200 μg/μL，根据细胞类型调整）。向 Transwell 上室的微孔膜（孔径 8 μm，常用聚碳酸酯膜）上均匀铺展基质胶，37℃孵育 30-60 分钟使其凝固成胶状。
- 细胞处理与接种：收集对数期细胞，用无血清培养基重悬，调整浓度至 1×10⁵-1×10⁶ cells/mL；向上室加入细胞悬液（如 200 μL），下室加入含血清的培养基（作为趋化因子，如 500 μL），37℃、5% CO₂培养箱孵育（时间根据细胞类型调整，通常 24-72 小时）。
- 细胞固定与染色：孵育结束后，取出小室，用棉签轻轻擦去上室未穿过膜的细胞和残留基质胶；用甲醛或甲醇固定下室侧的侵袭细胞（15-30 分钟），再用结晶紫、苏木素或 DAPI 染色。
- 结果定量：显微镜计数，随机选取多个视野（如 5-10 个），计数染色的细胞数量，取平均值。
2.结果案例
3.实验中可能使用的细胞因子
- 促侵袭核心细胞因子：转化生长因子 -β（TGF-β）、表皮生长因子（EGF）、血管内皮生长因子（VEGF）、肿瘤坏死因子 -α（TNF-α）等
- 协同调控因子：成纤维细胞生长因子（FGF）、血小板衍生生长因子（PDGF）、白细胞介素家族（ILs）等
- 其他辅助因子：肝细胞生长因子（HGF）、趋化因子（如 CXCL12/SDF-1）、基质金属蛋白酶诱导因子（EMMPRIN，CD147）
一种常用的体内血管生成研究模型。
通过将含有基质胶（Matrigel）及待检测因子（如促血管生成因子、药物等）的混合物皮下注射到实验动物体内，观察基质胶栓内血管形成的数量和质量，评估物质对血管生成的调控作用。
1.实验步骤
- 细胞处理与基质胶混合：选取对数生长期的细胞，消化细胞后用预冷的PBS洗两遍，细胞用预冷PBS或无血清培养基重悬，计数并根据需求调整细胞密度。细胞悬液与高浓度基质胶1：1混匀（如果细胞成瘤能力较高，基质胶终浓度可以降低）。一般皮下瘤接种的 细胞量为 1-5×10^6 个细胞/鼠，接种体积为 0.1-0.2 mL。
- 实验鼠准备：裸鼠周龄 4-6 周龄，体重 16-18 g 左右，种植部位选择血供丰富区域，如腋下中后部；从进针部位向前穿刺大约 1 cm，进行皮下注射，针头在皮下左右滑动几次，以便细胞接种成团，避免注射后细胞悬液从针眼溢出。
- 观察：接种后正常饲养，4-6 周成瘤，过程中检测小鼠体重，肿瘤体积变化；最后取瘤进行 拍照成像，保存组织用于下游实验检测
2.结果案例
3. 实验中可能使用的细胞因子
- 促血管生成核心细胞因子：血管内皮生长因子（VEGF）、成纤维细胞生长因子 - 2（FGF-2/bFGF）、血小板衍生生长因子 - BB（PDGF-BB）、血管生成素 - 1（Ang-1）
- 促肿瘤侵袭/转移相关细胞因子：转化生长因子 -β（TGF-β）、肿瘤坏死因子 -α（TNF-α）、肝细胞生长因子（HGF）
- 协同调控因子：白细胞介素 - 8（IL-8/CXCL8）、胰岛素样生长因子 - 1（IGF-1）、趋化因子 CXCL12（SDF-1）
利用基质胶作为载体，将肿瘤细胞植入小鼠皮下，模拟体内微环境并观察肿瘤生长，用于抗癌药物效价评估、肿瘤转移机制研究、细胞定植能力验证等。
1.实验步骤
- 实验材料准备：基质胶、实验动物、待检测物质
- 基质胶混合物制备：在冰浴的离心管中，将基质胶与待检测物质（或对照液，如 PBS）充分混匀，避免产生气泡（气泡会影响血管生成和后续观察）。
- 皮下注射：动物称重、标记，用异氟烷麻醉后，酒精消毒腹部或背部皮肤；用 1mL 注射器（预冷，避免基质胶提前凝固）吸取 0.2-0.5mL 基质胶混合物，缓慢注射到皮下（腹部中线两侧或背部肩胛区），注射后局部形成隆起的 “胶栓”。
- 取材与处理：通常在注射后 7-14 天（根据血管生成速度调整，如检测促血管生成因子可缩短至 5 天，抗血管生成药物实验可延长至 21 天）进行取材；处死动物后，用镊子完整剥离皮下的基质胶栓（此时胶栓已与周围组织部分粘连，含新生血管），称重、拍照记录外观（如是否红润，提示血管丰富程度）。
- 血管生成评估：组织学染色、定量分析
2.结果案例
3. 实验中可能使用的细胞因子
- 促进肿瘤细胞存活与增殖的细胞因子：胰岛素样生长因子 - 1（IGF-1）、表皮生长因子（EGF）、转化生长因子 -α（TGF-α）
- 诱导肿瘤血管生成的细胞因子：血管内皮生长因子（VEGF）、成纤维细胞生长因子 - 2（FGF-2/bFGF）、血小板衍生生长因子 - BB（PDGF-BB）
- 调控肿瘤微环境的细胞因子：肿瘤坏死因子 -α（TNF-α）、白细胞介素 - 6（IL-6）、转化生长因子 -β（TGF-β）
一种利用干细胞或组织原代细胞在体外3D培养中自组装形成微型器官结构的技术，可模拟器官的生理结构、功能及疾病状态。
1.实验步骤
- 原代细胞/组织分离：手术样本/活检组织 → 剪碎成1 mm³碎片 → 胶原酶IV（1–2 mg/mL）消化30–60 min → 70 μm滤网过滤 → PBS洗涤。
- 基质胶包埋：细胞悬液 和基质胶（比例1:1）在冰上混合，24孔板中点胶，每孔中心加50 μL混合胶 ，37℃固化20 min；每孔加500 μL完全培养基（避免冲散胶滴）。
- 培养与传代：37℃、5% CO₂，每2–3天换液（吸旧液留1/3，避免胶滴干涸）；基质胶包埋的类器官通常悬浮于培养基中；类器官生长至直径 500-1000μm 时（约 7-14 天），需用蛋白酶（如 TrypLE）或机械吹打分散为小块 / 单细胞，重新包埋于基质胶中培养（传代比例 1:3-1:5，根据生长速度调整）。
2.结果示例
3. 实验中可能使用的细胞因子
- 通用型细胞因子：表皮生长因子（EGF）、成纤维细胞生长因子（FGF 家族，如 FGF-2/bFGF、FGF-7/KGF、FGF-10）、TGF-β 通路抑制剂（如 SB431542、A83-01）
- 器官特异型细胞因子：肠道类器官（R-spondin 1/3、Noggin、FGF-10）、脑类器官【bFGF（FGF-2）+ EGF、Sonic Hedgehog（Shh）、Wnt 抑制剂（如 IWR-1、DKK1）、神经营养因子（BDNF、NGF）】、肝脏类器官（肝细胞生长因子HGF、FGF-4）等
再生医学和疾病研究的核心技术。
1.实验步骤：
- 解冻：从-20℃把冰箱取出基质胶，将其半埋于碎冰之中(瓶扣朝上），并将冰盒置于 4℃ 冰箱过夜解冻。
- 分装：解冻后，轻轻摇匀基质胶，并结合每次实验基质胶需求量，分装基质胶，保留 1 管即用，其他的分装后立即转移至-20℃无除霜功能冰箱冻存
- 稀释：将基质胶按照预定比例用预冷 DMEM/F12 稀释（具体稀释比例需结合基质胶浓 度和预实验确定，通常稀释倍数在 50-100 之间）
- 包被：将稀释后的基质加入 6 孔培养板(1 mL/孔)或 100 mm 培养皿(8 mL/培养皿)。在 使用前请将培养皿在室温下(37℃)孵育 2 小时，待基质胶聚合后，使用前小心吸出培养皿中 剩余的液体，尽量避免刮擦培养表面。
- 接种：将制备好的 iPSC 细胞悬液接种到包被后的培养板或培养皿中，轻轻摇匀细胞， 于 37℃，5% CO₂培养箱中孵育培养，每天观察细胞状态并每天更换培养基。
2.结果示例：
3. 实验中可能使用的细胞因子
- 维持干细胞干性与自我更新的细胞因子：白血病抑制因子（LIF）、碱性成纤维细胞生长因子（bFGF/FGF-2）、干细胞因子（SCF/c-Kit 配体）、转化生长因子 -β（TGF-β1/β3）
- 诱导干细胞定向分化的细胞因子：神经生长因子（NGF）、脑源性神经营养因子（BDNF）、血管内皮生长因子（VEGF）、血管生成素 - 1（Ang-1）
- 促进干细胞存活与增殖的辅助因子：胰岛素样生长因子 - 1（IGF-1）、血小板衍生生长因子（PDGF-AA/BB）、白细胞介素 - 6（IL-6）
如何选择基质胶
1.明确实验需求：应用场景/细胞类型
2.关注基质胶成分与特性：成分来源、生长因子含量、凝胶硬度
3.实验兼容性与操作要求
4.成本与使用场景平衡
部分对比图展示
基质胶生物活性测试：
细胞因子的定义与分类
细胞因子是由免疫细胞（如淋巴细胞、巨噬细胞）和非免疫细胞（如内皮细胞、成纤维细胞）分泌的小分子信号蛋白（8-80kDa），在皮克/毫升浓度水平即可发挥强大生物学效应。
核心特征：
- 多效性：一种细胞因子可作用于多种细胞类型
- 冗余性：不同细胞因子可产生相似功能
- 协同性：多种因子联合作用增强效应
- 高效性：极微量即可激活细胞应答
| 类型 | 代表因子 | 主要功能 |
|---|---|---|
| 促炎因子 | TNF-α, IL-1β, IL-6 | 激活炎症反应，招募免疫细胞 |
| 抗炎因子 | IL-10, TGF-β | 抑制炎症，促进组织修复 |
| 趋化因子 | IL-8, MCP-1 | 介导细胞定向迁移 |
| 造血因子 | EPO, G-CSF | 调控血细胞生成 |
| 生长因子 | EGF, FGF, VEGF | 促进细胞增殖分化 |
- 白细胞介素(ILs)：介导白细胞间通讯（已发现IL-1至IL-38）
- 干扰素(IFNs)：IFN-α/β（抗病毒），IFN-γ（免疫激活）
- 肿瘤坏死因子(TNFs)：TNF-α（促炎），TNF-β（淋巴毒素）
- 集落刺激因子(CSFs)：G-CSF（粒细胞），M-CSF（单核细胞）
- 转化生长因子(TGFs)：TGF-β（免疫调节，促纤维化）
细胞因子的检测方法
1.蛋白水平
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ELISA：定量检测血清/培养上清中细胞因子浓度。
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流式细胞术（CBA/胞内染色）：多因子同步检测，分析分泌细胞亚群。
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Western blot：检测细胞或组织裂解液中细胞因子蛋白表达，需特异性抗体，半定量分析
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组织免疫荧光（IF）/ 免疫组化（IHC）：定位细胞因子在组织中的表达位置
2.基因水平
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qPCR：检测细胞因子mRNA表达。
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单细胞测序：解析细胞因子基因在异质群体中的表达谱。
细胞因子的应用场景
细胞培养与功能研究
- 维持干细胞多能性：如白血病抑制因子（LIF）用于小鼠胚胎干细胞培养，保持其未分化状态。
- 诱导细胞分化：如骨形态发生蛋白（BMP）诱导间充质干细胞向成骨细胞分化；神经生长因子（NGF）促进神经元成熟。
- 调节免疫细胞活性：IL-2 刺激 T 细胞增殖，用于体外扩增免疫细胞（如 CAR-T 细胞制备）；IFN-γ 激活巨噬细胞的杀菌功能。
疾病模型构建
- 炎症模型：TNF-α、IL-1β 诱导细胞炎症反应，研究关节炎、肠炎等疾病机制。
- 肿瘤研究：VEGF 促进肿瘤血管生成，用于构建肿瘤微环境模型；TGF-β 参与肿瘤细胞上皮 - 间质转化（EMT），模拟转移过程。
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免疫调节与抗肿瘤治疗
- 造血与组织修复
- 炎症与自身免疫病干预
靶点验证与药效评估
- 靶点验证：抗体中和TNF-α治疗类风湿关节炎
- 药物筛选：基于细胞因子分泌谱的高通量筛选
- 生物标志物：IL-6水平作为炎症疾病活动指标
基质胶与细胞因子的协同作用
基质胶是细胞因子的天然载体与储存库
基质胶为外源细胞因子提供功能支架
基质胶与细胞因子的双向调控
- 基质胶影响因子表达
- 细胞因子改变基质胶性质
技术协同：构建“基质胶+细胞因子”功能互补体系
常见问题解答
Q1 为什么基质胶会有不同的颜色来呈现？
冻存或溶解状态下，基质胶会呈现草黄色或者深红色，因为一些亚型的基质胶中酚红，不同温度条件下，溶液pH值会变化，或者在使用过程中CO2会与磷酸盐缓冲液发生反应，影响溶液pH值，从而导致含酚红基质胶的颜色在草黄和深红之间变化。
Q2 基质胶解冻后正常外观是什么样的？
标准浓度基质胶解冻后，为粘稠溶液，浓度越高粘稠度越大；含酚红基质胶呈现粉红色，不含酚红为透明液态。高浓度基质胶由于浓度过高，溶液为浑浊粘稠样。
Q3 基质胶解冻需要多长时间，保存条件是什么？
- 基质胶解冻应该在2-8℃条件下进行（冰箱或者冷库），通常过夜解冻。
- 基质胶通常保存于-20 ℃无除霜功能冰箱，亦可保存-70 ℃超低温冰箱，但是超低温对玻璃瓶有一定要求，低温容易爆裂。
Q4 什么时候使用无酚红的基质胶？
如实验中涉及颜色分析、比色、荧光检测之类的检测，推荐使用无酚红基质胶，避免色素干扰；另外，酚红有雌激素类似效应，对于激素研究实验，推荐使用无酚红基质胶。
Q5 基质胶包被培养板后，能保存多久？
强烈推荐实验当天包被当天使用。包被后培养板加入无血清培养基后，可在37℃培养箱孵育保存1周。
Q6 如何稀释基质胶？
使用预冷无血清培养基或磷酸盐缓冲液（PBS pH 7.4），结合实验需求，稀释基质胶原液。
Q7 基质胶能反复冻融吗？
基质胶在反复冻融过程中会导致蛋白变性沉淀，影响基质胶生物活性以及蛋白浓度，所以建议收到基质胶后-20℃保存；或冰上解冻并结合实验计划进行分装，分装后小样-20 ℃保存备用。
Q8 基质胶中有少量沉淀怎么办？
基质胶出现少量沉淀属于正常现象，特别是高浓度基质胶，建议在分装前4℃低温低速离心处理（2000rpm/5min)。
Q9 如何减少基质胶批次间差异对实验的影响？
- 选用生长因子减除型(GFR)基质胶减少变量
- 同一实验使用同一批次产品
- 对新批次进行预实验测试关键参数
- 使用合成基质胶替代方案
- 建立内部质控标准（如凝胶时间、蛋白浓度）
Q10 细胞因子在实验中应该添加多少浓度？
细胞因子最佳浓度需根据具体应用优化：
- 细胞培养：通常1-100ng/mL
- 体内实验：0.5-5μg/kg体重
- 类器官培养：参考文献常用浓度梯度测试
注意：高浓度可能引起脱靶效应（如VEGF>100ng/mL导致血管渗漏）
Q11 基质胶操作有哪些关键注意事项？
- 全程低温操作：预冷枪头、离心管和培养板在冰上操作
- 避免气泡：混匀时轻柔吹打，不涡旋振荡
- 充分凝胶化：37℃孵育≥30分钟
- 浓度优化：类器官培养8-10mg/mL，Transwell实验≥10mg/mL
- 水化平衡：铺胶后加培养基37℃孵育1小时再接种细胞
Q12 细胞因子如何长期保存？
- 分装储存：使用前分装成小份，避免反复冻融
- 温度：-80℃长期保存，避免-20℃（部分因子不稳定）
- 复溶：按说明书用含载体蛋白的缓冲液复溶
- 工作液：4℃保存不超过1周
- 稳定性测试：定期检测活性（如细胞增殖实验）
