类器官研究中特定水凝胶的最新进展

类器官是模拟具有多细胞结构和功能的器官复杂性的体外模型系统，为生物医学和组织工程提供了巨大的潜力。 然而，它们目前的形成很大程度上依赖于使用复杂的动物源性细胞外基质 (ECM)，例如基质胶。 这些基质的化学成分通常定义不明确，并且表现出有限的可调性和再现性。 最近，可以精确调整特定水凝胶的生化和生物物理特性，为支持类器官的发育和成熟提供更广泛的机会。 在这篇综述中，总结了 ECM 体内的基本特性以及设计类器官培养基质的关键策略。 提出了两种典型定义的源自天然和合成聚合物的水凝胶，它们可用于改善类器官的形成。 重点介绍了将类器官纳入特定水凝胶的代表性应用。 最后，还讨论了开发特定水凝胶和支持类器官研究的先进技术的一些挑战和未来前景。

体外三维（3D）人体器官型模型的创建是一项重大的技术突破。类器官引起了极大的关注，因为它们可以概括其体内对应物的关键功能和结构特征。在过去的几十年中，在体外生长和维持类器官方面，已经出现了开发复杂仿生组织结构策略的持续努力。在体内，天然基质为所有组织和器官内的嵌入细胞簇提供生物活性因子、3D支持和形态学指导，有助于整个人体的构建。

在这方面，定义的水凝胶是亲水的交联聚合物，可以设计成模拟不同组织的ECM。这使得能够创建与感兴趣器官的体内生态位非常相似的微环境，促进类器官内细胞的生长和分化。定义的水凝胶可以通过改变其物理，化学和机械特性来定制，为研究人员提供了一种多功能工具，可以为各种器官创建类器官模型。此外，将生长因子、信号分子和其他生物活性分子掺入水凝胶基质中，进一步可以精确控制类器官微环境[25]。近年来，随着几种具有精确调谐的生化和生物物理特性的天然和合成水凝胶的出现，类器官生物医学领域出现了更多的机会。

在本综述中，我们旨在概述使用定义的水凝胶作为细胞指导支架来支持类器官研究（图1）。首先，我们提供了一些用于模拟天然ECM的已定义水凝胶的基本考虑因素和策略。然后，我们重点介绍了两种定义明确的水凝胶及其类器官在器官发育、疾病建模、药物测试和再生医学领域的显着应用。最后，我们还讨论了具有可控反应特性的新兴水凝胶在帮助弥合体外类器官模型与其体内对应物之间的差距方面的前景。

图 1.支持类器官研究的特定水凝胶概述。 在开发水凝胶以模拟体内细胞外基质时，应考虑几个基本特性（例如，可降解性、机械特性和细胞粘附）。 两种类型的水凝胶源自天然（例如动物和植物）和全合成聚合物，广泛用于调节细胞行为（例如分化、粘附、细胞间相互作用、增殖和迁移）。 这些具有明确特性的水凝胶可以整合到类器官中，促进其在器官发育、疾病模型、药物测试和再生医学中的潜在应用。

2. 定义水凝胶作为类器官培养基质的基本考虑

类器官培养的成功主要取决于体内器官或组织形成和功能生成所需的高度仿生动态微环境。 模仿天然 ECM 的功能特征并与常见的生物工程技术兼容是开发用于类器官培养的特定水凝胶时需要考虑的基本标准 。 在本节中，我们从生物信号、生物物理线索和交联策略方面描述了构建特定水凝胶的一些基本考虑因素，这些因素可以优化水凝胶配方，以提高复制体内微环境的保真度并提供更可靠的表示 器官行为。

2.1. 生化信号传导

一般来说，天然ECM由各种蛋白质、多糖和生长因子组成，它们具有生物活性位点，可以使细胞粘附、降解和激活某些信号通路（图2）。 因此，定义的水凝胶应设计为包含关键的生物活性或功能基团，以支持嵌入细胞的生长和自组装，从而最终形成类器官。

图 2. 设计模拟 ECM 的水凝胶时考虑的代表性生化特性（A）。用于改善粘附依赖性细胞行为的 RGD 缀合水凝胶示意图。MMP 松开水凝胶以使免疫细胞能够渗透并降解丝素蛋白水凝胶的示意图）（C）。骨形态发生蛋白 2 (BMP-2) 整合到水凝胶中以加速骨再生的示意图。

2.2. 生物物理线索

水凝胶是具有3D亲水网络的水性聚合物，具有膨胀和多孔特性，允许小分子和亲水生物大分子扩散，作为细胞培养的合格基质。除了成分补充之外，确定的水凝胶还应该为类器官的形成和发育提供机械线索和几何指导（图3）。

图 3. 设计模拟 ECM 的水凝胶时考虑的代表性生物物理特性。 使用不同硬化时间的藻酸盐水凝胶示意图来分析动态 ECM 硬度变化对 MSC 旁分泌功能的影响。使用 PEG 图案基质在几何上限制人类多能干细胞集落并在空间上呈现机械应力来模拟此类事件的体外建模示图。一种新型液滴微流体系统的示意图，用于一步制造混合水凝胶胶囊，能够以可重复和高通量的方式进行 hiPSC 衍生类器官的 3D 培养和生长。在多孔板底部创建微工程水凝胶薄膜的示意图允许在同一焦平面上的预定位置同时衍生出数千个均匀的类器官。

3. 特定水凝胶在类器官研究中的应用

将特定的水凝胶纳入类器官中，为组织工程和疾病建模领域带来了重大进展。 通过对组织结构和细胞信号传导进行精确控制，特定的水凝胶使研究人员能够更准确地模拟体外各种器官的复杂微环境。 与传统的动物模型和单层培养物相比，在特定水凝胶中生长的类器官在生物医学研究中提供了有吸引力的器官型模型。 此外，使用明确的水凝胶可以帮助控制类器官结构、表型和细胞组成的高度可变性，进一步将其应用扩展到更广泛的器官发育、疾病研究、药物测试和再生医学领域（图4）。

5 结论与展望

类器官技术的发展为体外复制人体组织和器官作为基础生物学和临床医学研究的先进工具带来了机会。 现有矩阵的复杂成分和不确定性质给该概念的实现带来了许多限制。 建立类器官扩增良好生产规范（GMP）标准体系是临床应用的前提。 几种确定的水凝胶，包括天然和合成来源，在从基本疾病模型到个性化医疗的类器官革命中显示出了有希望的结果。 具体而言，基于单组分聚合物的天然水凝胶由于其清晰的组成和可调节的特性，有可能成为类器官转化的理想选择。 然而，水凝胶仍然存在一些局限性，例如机械性能差、快速降解和稳定性低，这也刺激了直接使用全合成聚合物构建用于类器官培养的明确水凝胶的探索。 上述两种类型的特定水凝胶并不相互排斥，并且在许多具体的研究工作中通常会补充它们的优势，以构建具有更丰富的机械和生化特性的类器官培养系统。

事实上，理想的类器官培养基质应该模仿 ECM 的动态特性，包括粘弹性、侵蚀速率和降解敏感性，这些特性随着细胞生长和分化而变化。 随着材料科学和加工技术的突破，这些正在成为现实。 将一些刺激响应（如温度、离子、pH 和光）成分集成到用于类器官培养的水凝胶 3D 网络中，可以更好地模拟体内不断变化的微环境。 其中，光正在成为最有前途的刺激，它可以提供剂量可调性、波长正交性和高时空可控性。 最近，光异构化是设计具有光响应的特定水凝胶支架的一种有吸引力的方法。 偶氮苯是典型的光致变色分子，在可见光下为反式异构体，在紫外光下可转变为顺式异构体。 这种结构转变是可逆的，这使得分子交联的水凝胶能够响应光刺激而可逆地硬化或软化。 此外，为了构建 3D 生物人工器官，需要扩大类器官的大小和复杂性。 在模仿器官组织结构时，解决有关可重复性、自动化和标准化的一些问题变得至关重要。 在特定的水凝胶中使用一些工程方法，例如微成型、微流体和 3D 打印，可以帮助克服类器官生产中大规模组织尺寸、精确结构和自动化的限制。 此外，将特定的水凝胶与更多功能性信号线索（例如我们在开头提到的那些生化和生物物理特性等）相结合，也可能是为特定的利基定制特定类器官的重要机会。 我们设想有一天，类器官细胞可以根据用户需求，通过定制的“现成的”限定水凝胶直接转化为特定的组织或器官，而无需添加各种诱导因子或补充更繁琐的操作流程。