香港中文大学边黎明:超分子水凝胶网络中的微观

【科研摘要】

通过弱的和可逆的物理相互作用交联的动态水凝胶增强了基质中封装细胞的3维(3D)扩散和机械传感能力。然而，这些物理交联的高度动态性质还导致水凝胶网络中的机械刚度低，并且附着在网络上的细胞粘附基序具有较高的系链顺应性。软水凝胶网络产生的低力反馈阻碍了封装细胞中机械转导信号的有效激活。

最近，香港大学Yuan Lin博士和香港中文大学Gang Li教授和边黎明教授团队证明了基于丙烯酰基纳米颗粒的交联剂的化学掺入在动态超分子水凝胶中创建了区域刚性的网络结构，而没有损害细胞适应性纳米粒子间水凝胶网络的动态特性。所获得的具有异质水凝胶网络拓扑结构的动态水凝胶可加快封装的干细胞的黏附结构，3D扩散和机械感测的发展，这主要是由关键生物标志物(如纽蛋白，FAK和YAP)表达上调所证明的。这种增强的扩散和机械转导促进了包封的干细胞的成骨分化。相比之下，掺杂有物理包裹的纳米颗粒或分子交联剂(PEGDA)不能局部增强动态水凝胶网络，因此无法促进3D水凝胶中的细胞机械感测或分化。团队进一步表明，具有局部硬化网络的动态水凝胶可促进动物模型中骨缺损的原位再生。该发现为具有仿生层次生物力学结构的超分子动态水凝胶的设计提供了宝贵的见识，该凝胶是基于干细胞疗法的最佳载体材料。相关论文以题为Microscopic local stiffening in a supramolecular hydrogel network expedites stem cell mechanosensing in 3D and bone regeneration发表在《Materials Horizons》上。

【新概念】

分层且异质的ECM结构不仅提供了动态的细胞周围微环境，而且还呈现了能够进行各种细胞事件的局部刚性细胞锚定位点。由于天然ECM的组成复杂，因此从三个维度研究局部机械刚度对细胞行为的影响具有挑战性。在这项工作中，团队制造了具有异质水凝胶网络拓扑结构的动态水凝胶。所获得的水凝胶在动态超分子水凝胶中具有区域刚性的网络结构，而不会损害细胞适应性纳米粒子间水凝胶网络的动力学性质。团队提出区域僵化的网络结构可以显着增强封装的干细胞的机械传感，从而促进其成骨分化和组织再生。该发现为采用仿生分级生物力学结构的超分子动态水凝胶的设计提供了宝贵的见识，该凝胶是基于干细胞疗法的最佳载体材料。

示意图1掺杂PEGDA，NP和AcNPs的超分子GHG水凝胶的制备以及水凝胶网络的结构示意图。掺杂AcNPs的超分子GHG水凝胶是由Ac-β-CD与明胶链上的芳族残基之间的客体相互作用形成的。由于多个带有表面丙烯酰基基团的NP的聚集，致密相和多价相仅在GHG-AcNP水凝胶中形成。

图1. AcNPs的化学结合可增强局部网络，但不会改变超分子水凝胶的整体动态网络。

图2 NP介导的局部水凝胶网络变硬加快了3D扩散并增强了水凝胶中细胞的机械感测。

图3建模了由于局部水凝胶网络变硬而增强的细胞扩散。

图4 NP介导的局部水凝胶网络变硬促进了封装的干细胞的成骨分化。

图5 NP介导的局部水凝胶网络变硬促进了体内的骨再生。

图6在局部变硬的超分子水凝胶中增强hMSC成骨分化的机制。

【讨论和结论】

团队以前的研究表明，在均质GHG水凝胶中，丙烯酰基β-环糊精(Ac-β-CD)和凝胶状芳香残基的动态且可逆的宿主-客体复合作用可在培养10-14天后促进包囊干细胞的星状扩散。而以相同明胶含量制备的均质共价交联明胶水凝胶限制了细胞在3D水凝胶中的扩散。但是，被包封的细胞通常需要至少10天才能在均质的GHG水凝胶中扩散，并且在这段漫长的时间内，大量的明胶会被细胞分泌的酶(例如MMP)降解。因此，根据团队以前的工作，很难将水凝胶降解的贡献与动态主客体交联与3G细胞在温室气体水凝胶中扩散的贡献分离开来。在这项工作中，证明了将AcNPs作为交联剂进行化学结合以强化局部GHG水凝胶网络可以在仅培养3天后实质上加快封装的干细胞的3D星状扩散，而物理包埋的NPs则没有这种作用影响。此外，分子化学交联剂(PEGDA)的均质掺入可通过形成其他共价交联键来均匀增强整个GHG水凝胶网络，从而防止了细胞的3D扩散。这些发现表明，水凝胶降解不是3D动态水凝胶中细胞加速扩散的主要促成因素。温室气体水凝胶中的宿主-客体动态交联是网络中3D细胞扩散所必需的;此外，基于NP的交联剂对GHG水凝胶网络的局部改变可以加快3D动态水凝胶中细胞的扩散(图7A)。在团队的AcNP强化水凝胶中，由于丙烯酰基均与AcNPs共轭，预计形成的聚丙烯酸酯动力学链将在很大程度上限制在AcNPs附近，以增强局部水凝胶网络。实际上，打算实现避免微米级局部硬化的非均质水凝胶网络，以避免水凝胶中聚丙烯酸酯链中共价交联键的均匀分布(如PEGDA组)，这限制了3D细胞的扩散。通过PEGDA均匀交联的GHG水凝胶也显示出受限的细胞扩散。相反，天然ECM结构是高度分层的，具有空间上异质的局部生物力学特性(例如，刚性胶原蛋白原纤维和软蛋白聚糖磨碎的物质，图7B)。

文章来源：《分子科学学报》 网址: http://www.fzkxxbzz.cn/zonghexinwen/2021/0414/825.html