水凝胶，连发2篇Nature Materials！

水凝胶是一种具有三维交联网络结构的高分子材料，能够在水中吸收大量水分而保持其形状和结构。近年来，水凝胶因其独特的物理和化学特性，在生物医学、组织工程、药物递送、传感器开发等多个领域展现出广泛的应用前景，成为跨学科研究的热点。

在6月6日，纽约州立大学石溪分校Michael Mak团队提出了一种基于大分子拥挤（MMC）效应的胶原蛋白制造方法，称为可调快速胶原蛋白元素组装（TRACE）。该方法通过应用惰性拥挤剂加速胶原蛋白的液-凝胶转变，实现了未修饰胶原蛋白的即时组装，能够在微观到宏观的尺度上高通量地创建生理胶原蛋白结构，并通过产生可调的多尺度建筑线索促进细胞自组装和形态发生，为组织工程和生物打印领域提供了新的工具。

在本研究中，新加坡国立大学Jennifer L. Young等人开发了一种新型的混合水凝胶-细胞外基质（ECM）支架——DECIPHER，用于研究心脏衰老过程中的生化和机械特征。研究团队通过这种支架，独立调控了两种不同的基质属性——配体展示和刚度，以探索它们在心脏衰老中的具体作用。文章揭示了年轻ECM的配体展示可以抵消老化ECM中通常存在的促纤维化刚度信号，维持或促进心肌成纤维细胞（CFs）的静止状态，为开发基于ECM的抗衰老治疗策略提供了重要见解。该研究以“Hybrid hydrogel–extracellular matrix scaffolds identify biochemical and mechanical signatures of cardiac ageing”为题于6月12日发表在《

Nature Materials

【主要内容】

图1 DECIPHER系统

将小鼠心脏组织切片放置在疏水玻璃片上，浸泡在经过甲醛预处理的丙烯酰胺水凝胶溶液中，通过紫外线交联形成水凝胶网络，随后进行原位去细胞化处理，最终得到保持天然ECM组成和结构的支架。该系统能够独立调控力学特性和配体展示，用于研究细胞与ECM之间的相互作用。

图2 DECIPHER保持天然ECM配体

通过免疫组化染色证明了DECIPHER成功去除了细胞结构，同时保留了ECM成分（如胶原蛋白、纤维连接蛋白、透明质酸和层粘连蛋白）。通过TWOMBLI插件对胶原蛋白结构进行量化分析，显示年轻和老化ECM在多个几何参数上存在显著差异。通过纳米压痕技术测量了天然组织和水凝胶的刚度，DECIPHER能够模拟天然组织的刚度。DECIPHER样本的刚度图证明其力学特性可调，且其粘弹性特性与天然组织更为接近。

图3 CFs和ECM的年龄依赖性调控

图中展示了RNA-seq分析中年轻和老化CFs的差异表达基因（DEGs），老化CFs表现出更高的衰老和激活潜力。热图显示了DEGs的表达模式，KEGG富集分析揭示了老化CFs中激活和抑制的信号通路。通过质谱分析得到的年轻和老化心脏ECM的差异表达蛋白（DEPs），配体-受体相互作用图揭示了CFs和ECM之间的年龄特异性调控。DECIPHER样本上CFs的基因表达差异揭示了ECM刚度和年龄对CFs激活和衰老的影响。

图4 ECM配体线索在CF激活和力学传导中的作用

免疫荧光染色结果显示不同条件下CFs的α5整合素、YAP和α-SMA的表达和定位情况，表明ECM配体线索对CFs的激活和力学传导具有重要影响。RNA-seq分析中与CF激活相关的基因表达情况进一步证实了ECM配体线索在CF激活中的关键作用。

图5 年龄相关配体和力学线索决定基质调节和重构

图中展示了RNA-seq分析中与ECM降解、交联和分泌相关的基因表达情况，揭示了细胞和基质年龄对ECM调节的影响。DECIPHER样本中保留的基质交联酶LOX的免疫染色结果，以及免疫荧光染色结果进一步证实了LOX在不同条件下的表达情况。通过免疫金标记和扫描电镜观察到的DECIPHER样本中保留的功能性配体。特定基因表达的定量分析结果进一步支持了ECM年龄和力学线索在基质调节中的作用。

图6 协同基质线索驱动CF衰老和再生

图中展示了RNA-seq分析中年轻和老化CFs在不同条件下的基因表达差异，揭示了ECM刚度和年龄对CF衰老和再生的影响。示意图总结了ECM属性如何调控年轻和老化CFs的功能。与CF衰老相关的特定基因表达的热图和定量分析结果，进一步支持了ECM刚度和年龄在CF衰老中的作用。免疫荧光染色结果揭示了p53阳性细胞在不同条件下的分布情况，表明ECM刚度和年龄对CF衰老的影响。

【全文总结】

本文介绍了一种名为DECIPHER的新型混合水凝胶-细胞外基质（ECM）支架，用于研究心脏衰老过程中的生化和机械特征。DECIPHER通过将聚丙烯酰胺水凝胶与心脏组织切片结合，并进行原位去细胞化处理，成功保持了ECM的天然组成和结构，同时能够独立调节力学特性，模拟年轻或老化组织的刚度。研究发现，年轻ECM的配体展示能够抵消老化ECM中通常存在的促纤维化刚度信号，维持心肌成纤维细胞（CFs）的静止状态，而老化ECM则会增强CFs的激活和衰老。此外，通过RNA测序和质谱分析，研究揭示了ECM刚度和年龄对CFs基因表达、力学感知、ECM重构和衰老的调控作用。DECIPHER技术为深入理解ECM在心脏衰老中的作用提供了独特的工具，并为开发基于ECM的抗衰老治疗策略提供了重要的理论基础。

https://mp.weixin.qq.com/s/g5PKzmtrAWawrTg_Rcrx_A

https://www.nature.com/articles/s41563-025-02234-6

来源：BioMed科技
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