哈佛大学综述：细胞培养用水凝胶工程化策略
哈佛大学综述：细胞培养用水凝胶工程化策略
细胞培养用水凝胶工程化策略是生物材料科学领域的前沿研究方向。哈佛大学David J. Mooney教授团队在《Nature Reviews Chemistry》上发表综述论文，系统阐述了水凝胶在细胞培养中的应用、设计原理、动态控制方法以及未来发展方向。本文将为您详细介绍这一领域的最新进展。
二维和三维细胞培养系统广泛用于生物学研究，是类器官、组织工程和器官芯片研究领域在疾病建模和药物筛选等应用中的基础。组织的天然细胞外基质是一种具有不同化学和机械特性的复杂支架，在调节重要的细胞功能如扩散、迁移、增殖和分化以及组织形态发生中具有关键作用。水凝胶是一种生物材料，用于细胞培养系统中以模仿天然细胞外基质的关键特征。已经开发了以受控方式合成和定制这些水凝胶的性质并在原位操纵它们的生物学功能的化学策略。在这篇综述中，作者为可预测的工程水凝胶提供了合理的设计标准，以模仿天然细胞外基质的特性。作者强调了在使用生物相容性策略来设计用于细胞培养的水凝胶方面的进展，以及通过利用刺激响应化学来动态控制细胞环境的最新发展。最后，讨论了设计水凝胶的未来机会，其中新化学方法的发展可能会发挥重要作用。
细胞外基质与水凝胶的关系
细胞外基质 (ECM)包括由各种蛋白质和多糖组成的非细胞成分，它们提供结构支持、组织组织以及结合和控制细胞功能。纤维蛋白、粘附糖蛋白和蛋白聚糖是调节 ECM 生化和机械性能的三个主要成分。
图|组织中的细胞微环境。
水凝胶是一种生物材料，可以通过合成化学策略进行定制以模拟 ECM 。除了简单生物相容性和物理稳定性要求外，还通过合理设计和工程方法来控制水凝胶 ECM 生化和物理特性。作者系统概述了水凝胶组分分子参数间关系如何与宏观性质相关，以及如何利用主要因素来设计具有所需性质的水凝胶。这些设计参数包括：生物活性配体以介导特定的细胞相互作用，构建凝胶的聚合物选择，及与聚合物之间相互作用相关的因素以生成 3D 网络。
图|水凝胶的分子设计以控制化学和机械性能。
依据设计原理，可选择聚合物、交联策略和自组装原理来设计具有所需性能的水凝胶基质。作者首先描述用于形成合成 ECM 的一般材料类型，然后概述可用于将这些材料形成 3D 组件的各种交联化学，以及利用超分子组件的替代方法。
图|合成细胞外基质的化学和机械信号对细胞行为和器官发生的影响。
天然 ECM 是动态的，具有随时间变化的特性。水凝胶硬化可以通过在特定位置和特定时间由酶或光介导的额外化学交联来实现。易受水解、酶或光影响的不稳定接头可在暴露于刺激时被切割以去除功能部分。可降解衔接部分的选择性切割降低了水凝胶的刚度。光介导的键断裂使笼状官能团脱保护，这些官能团可以进行缔合反应以固定生物活性配体。
图|水凝胶生化和生物物理性质的动态控制。
图|用于控制生物材料功能的刺激响应化学物质。
众多聚合物和化学物质能够赋予水凝胶所需生化、机械和结构特征，以及可调节材料特性，以2D 和 3D 培养用合成 ECM。值得注意的是，最新开发通过可逆共价和非共价化学交联的水凝胶以显示时间依赖性粘弹性，以及允许以时空控制的方式调节水凝胶性质以模拟 ECM 动态性质的刺激响应化学。这些材料被证明是研究发育生物学和疾病进展的有用工具。尽管取得许多进展，但化学领域仍有很多进一步发展机会，包括：
1）目前只有少数动态共价化学可用于细胞培养，且没有一种是双正交的。
2）水凝胶在生理条件下响应可见光和近红外光进行光反应的化学基序仍然有限，迫切需要开发由长波长光引发的高效光反应。
3）如何动态调制下时空调控水凝胶粘弹性。
相关综述论文以题为Chemical strategies to engineer hydrogels for cell culture发表在《Nature Reviews Chemistry》上。通讯作者是哈佛大学David J. Mooney教授，第一作者是Junzhe Lou博士。