《Chem. Rev.》综述：3D 细胞-水凝胶相互作用的力学：实验、模型和机制

【摘要】

水凝胶 是高度水溶胀的分子网络，由于其广泛和可调的特性，是创建组织模拟物的理想平台。 因此，水凝胶是用于组织工程应用的有前途的细胞输送载体，也已成为离体模型的重要基础。 细胞很容易被包裹在水凝胶中，导致过多的生化和机械通讯机制，重现了组织中天然细胞和细胞外基质的相互作用。 这些相互作用是复杂的，耦合并跨越多个长度和时间尺度。 研究和确定所涉及的潜在机制，理想情况下需要一种集成的实验和计算方法。

最近，美国科罗拉多大学 科研团队 综述细胞 -水凝胶相互作用， 重点介绍了实验、数学和计算建模方面的最新进展。作者首先介绍了控制水凝胶力学和传输的热力学和物理基础知识。该综述侧重于两大类水凝胶：物理交联纤维水凝胶的半柔性聚合物网络和化学交联合成/天然水凝胶的柔性聚合物网络。 在这篇综述中，重点介绍了五种主要的细胞 -水凝胶相互作用 （ 通信、机械感应、迁移、生长、组织沉积和加工 ）， 讨论了 近期 实验和最新的建模策略，然后总结了如何调整水凝胶特性以实现所需的功能细胞结果。最后总结了这些进展，并说明需要 整合实验和建模以推进对细胞 -基质相互作用的基本理解，这将最终有助于确定新的治疗方法并实现成功的组织工程。

【主图】

存在于组织和器官中的许多细胞被细胞外基质或 ECM 包围。ECM 为细胞提供了一个物理支架，赋予它们结构支撑和保护。此外，ECM 提供了在发育过程中指导细胞分化的基本线索，并有助于支持整个成年期健康组织的稳态。然而，外伤或疾病对组织和/或器官的损害会破坏 ECM，这会对人类健康产生重大影响。需要能够再生新组织以替代受损组织或能够逆转疾病和恢复 ECM 的疗法。开发此类疗法的一个重大障碍是了解细胞在正常和病理生理条件下如何感知和响应其环境。虽然动物模型对于揭示参与发育和疾病的途径至关重要，但由于体内环境中的许多混杂因素，细胞外环境，尤其是基质的作用难以解析。为了克服这个缺点，已经开发了三维 (3D) 基质，例如水凝胶，作为创建离体组织模拟物的替代方法，其化学和性质可以受到严格控制。结合起来，计算模型变得越来越重要，当与实验相结合时，可以进一步分离作用于细胞的线索，提供额外的机械见解。计算模型也可用于优化研究以缩小实验设计空间。因此，结合实验和计算模型来研究细胞和水凝胶组织模拟物之间相互作用的策略对于推进组织工程以及我们对离体模型中健康和疾病中细胞和 ECM 生物学的基本理解非常重要。图 1 总结了本次审查的概述。

图 1. 细胞被包裹在水凝胶中时发生的主要细胞-水凝胶相互作用的概述 。

相关论文以题为 Mechanics of 3D Cell–Hydrogel Interactions: Experiments, Models, and Mechanisms 发表在《 Chem ical Rev iew s 》上。 通讯作者 是 美国科罗拉多大学 Stephanie J. Bryant 教授 。

参考文献：

doi.org/10.1021/acs.chemrev.1c00046