香港中文大学边黎明《自然·通讯》在3D水凝胶基质内增强机械传感

【科研摘要】

设计者生物材料基质中细胞的 3D 培养提供了仿生细胞微环境，并且可以对传统 2D 培养无法提供的细胞行为产生重要见解。具有动态特性的水凝胶，通过结合可降解的结构成分或可逆的动态交联来实现，能够有效地适应基质并支持相关的细胞功能。最近，香港理工大学Yi Wang博士和香港中文大学边黎明教授团队证明了给定相似的平衡结合常数，与类似的水凝胶相比，包含具有大解离速率常数的动态交联的水凝胶能够实现细胞力诱导的网络重组，从而导致封装干细胞的快速星状扩散、组装、机械传感和分化包含具有低解离速率常数的动态交联。

此外，超快速星状扩散（封装后 18 h 内）和增强的 3D 干细胞机械传感也需要细胞粘附配体与通过这种快速解离交联连接的水凝胶子网络的静态和精确结合。这项工作揭示了微观细胞行为与水凝胶网络中分子水平结合动力学之间的相关性。我们的研究结果为设计和评估具有细胞适应性特性的超分子生物材料提供了宝贵的指导，以研究 3D 培养中的细胞。相关论文以题为Enhanced mechanosensing of cells in synthetic 3D matrix with controlled biophysical dynamics发表在《Nature Communications》上。

【主图导读】

图 1：通过具有不同结合动力学的可逆主客体交联稳定的超分子水凝胶具有不同的动态特性。

图 2：hMSC 在通过动态交联稳定的 3D 水凝胶内表现出不同的扩散，具有不同的寿命。

图 3：MD 和 KMC 模拟结果验证了主客体交联的结合动力学在实现细胞介导的水凝胶网络重组中的关键作用。

图 4：hMSC 的有效 3D 扩散和机械传感需要细胞粘附配体与通过具有快速结合动力学的交联连接的水凝胶子网络的精确共价结合。

图 5：具有短交联寿命的超分子水凝胶促进封装的 hMSC 的成骨分化。

图 6：HA-ADA-cRGD 水凝胶中的超快速细胞扩散和聚集受细胞-新生 ECM 相互作用、含有 β1 类整联蛋白的细胞粘附结构和基于肌动球蛋白的收缩力的调节。

【总结】

团队证明了超分子水凝胶中物理交联的动力学常数是决定细胞-水凝胶相互作用和 3D 细胞行为的控制因素之一。该实验和计算结果表明，水凝胶中具有大解离速率常数和短结合寿命的主客体交联，而不是那些具有小解离速率常数和长结合寿命的交联，通过细胞力介导的网络重组促进有效的细胞扩散和机械感应。此外，细胞粘附基序与通过短结合寿命交联连接的水凝胶子网络的精确和稳健的结合对于 3D 中干细胞的机械感应依赖性分化至关重要，这是基于细胞粘附结构和肌动球蛋白的形成收缩性。该超分子水凝胶提供了一个可控和可调的平台，以帮助对细胞对 3D 微环境中动态生物物理线索的反应进行基础研究，并且是用于转化研究的治疗细胞的有效传递载体。

参考文献：

doi.org/10.1038/s41467-021-23120-0

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