西安交通大学BEBC在构建细胞力学微环境的新型水凝胶体系制备方面取得新进展

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在体细胞生活在一定的微环境中，微环境中多种信号（包括物理、化学信号）起到维持细胞正常形态功能的作用。越来越多的研究表明，机体发育、疾病的发生发展等生理病理过程与细胞及其力学微环境（mechanical microenvironment）的变化密切相关。细胞微环境中的多种力学信号（如基质刚度、应力/应变）是调控在体多种细胞（如肌肉细胞、神经细胞等）生物学行为的关键物理因素。为了进一步构建细胞力学微环境，西安交通大学仿生工程与生物力学研究所（BEBC）和孙晓龙教授课题组合作采用“点击（click）化学”和 “去点击（declick）化学”等反应开发了一种新型力学性质可调及化学结构可控的水凝胶体系。

该水凝胶体系的反应机理是通过小分子基团化学反应实现的，通过“点击反应”在共轭分子受体上发生胺-硫醇以及硫醇-硫醇的取代反应，以及通过“去点击反应”添加DTT在中性反应条件下形成新的共轭受体，通过不同的化学反应分别调控水凝胶的形态和力学性质。水凝胶1是整个反应凝胶体系的基础，是通过铜催化的炔基-叠氮点击化学反应形成的聚乙二醇（PEG）水凝胶（图1）。

图1.  水凝胶反应机理图

通过氨基-巯基置换，巯基-巯基置换的化学反应，在室温以及中性缓冲液条件下，分别向水凝胶1种加入线性PEG，最终形成水凝胶2和水凝胶3；通过添加DTT和H₂O₂最终形成含有二硫键的水凝胶4（图2）。作者分别利用流变仪，紫外-可见分光光度计，核磁共振仪等仪器测试和追踪了化学反应和结构转化的过程。

图2. 水凝胶体系反应示意图

基于干细胞治疗在治疗各种疾病方面显示出巨大的潜力，而有效的细胞传递是其中的关键挑战之一。为了实现细胞传递，水凝胶可以提供细胞保护和一个稳定的三维生理环境。在水凝胶体系中，由于正交反应，水凝胶1和水凝胶2的转换可以在原位发生，对干细胞的包封具有细胞友好性，因此，在水凝胶2的形成过程中加入干细胞（hMSCs）。最终形成的水凝胶2为3D细胞培养提供了良好的支架。当干细胞治疗结束，凝胶需要快速降解时，通过加入DTT将水凝胶2快速降解，离心后释放细胞。这些结果表明，水凝胶2作为细胞载体用于细胞治疗的巨大潜力（图3）。

图3. 水凝胶在3维细胞培养中的应用

以上相关成果发表在ACS Macro Letter（DOI: 10.1021/acsmacrolett.1c00276）上。论文的第一作者为西安交通大学BEBC博士生常乐，共同作者分别为西安交通大学BEBC博士生王聪，西安红会医院消化内科副主任医师韩霜博士，通讯作者为BEBC徐峰教授，共同通讯作者为西安交通大学孙晓龙教授。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsmacrolett.1c00276

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