Hydrogels as Extracellular Matrix Mimics in three —Dimensional Cell Culture

وقد أصبحت ثقافة الخلايا الثلاثية الأبعاد أداة أساسية في البحوث الحديثة الطبية البيولوجية لأنها تعيد رسم الجوانب الرئيسية لـ in vivo] المجهرية، وفي قلب هذه الثورة هي الهيدروجيلات - شبكات البوليمر المزودة بالمياه التي يمكن تصميمها للحد من النماذج الحديثة التي تفحصها المادة.

مصفوفة فضائية: مصفوف ديناميكية

وفي الأنسجة الحية، توجد خلايا داخل النسق ECM - وهو شبكة معقدة وثلاثية الأبعاد من البروتينات والبروتينات والبوليساكريدات، ولا يوفر هذا النوع من المواد الكيميائية والميكانيكية فحسب، بل يوفر أيضاً أدوات كيميائية وميكانيكية تنظم تكاثر الخلايا، والهجرة، والانتشار، والتفريق، والبقاء، وتشمل المكونات الرئيسية أنواع النسيج النسيجية، والنسيج النسيج الكيميائي.

وتُجبر ثقافات الأحاديين التقليديين (الثانية) على استخدام خلايا أحادية ذات متينة ومسطحة لا تتشابه إلا قليلاً مع هذه البيئة الطبيعية 3D، وتُستخدم خلايا البلاستيك أو الزجاج في المورفولوجيا غير الشهيرة، وتُغيّر التعبير الجيني، وفقدان الوظائف الخاصة بالأنسجة، وتتغلب الهدروغل على هذه القيود بتوفير خواص مُهَبَّة وثَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَها وَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَها وَتَتَها وَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَت

ما هي هي هيدروغلز؟

فالهيدروغلات هي شبكات متداخلة من البوليمرات الهيدروفيلية التي يمكن أن تستوعب وتحتفظ بكميات كبيرة من المياه - وغالبا ما تبلغ 90-99 في المائة من وزنها الإجمالي، وهذا المحتوى المرتفع من المياه يعطيها اتساقا ناعما وشبها بالأنسجة، ويمكن أن تكون الروابط المتقاطعة مادية (مثل السندات الهيدروجينية، والتفاعلات الأيونية، والسلاسل) أو المواد الكيميائية (السندات المتنازية) وأن تكون الشبكة الناتجة عن ذلك مصممة ثابتة.

ونظراً لأن الهيدروجيلات قابلة للتداول بدرجة كبيرة بالنسبة للأكسجين والمغذيات والنفايات الأيضية، فإنها يمكن أن تدعم قدرة الخلايا على البقاء في جميع أنحاء المبنى 3D، ويمكن أيضاً تشغيلها بأكياس الصق (مثلاً، البلازميدات ذات الصبغة الاصطناعية)، أو عوامل النمو، أو غيرها من الجزيئات النشطة أحيائياً لتوجيه سلوك الخلايا، مما يجعل الهيدروجيلات أكثر الطبقات استخداماً لبناء ثقافات الخلوية من 3D.

أنواع الهيدروجيلات المستخدمة في إدارة المواد الكيميائية المحلية

Hydrogels الطبيعية

وتستمد الهيدروفلور الطبيعية من مصادر بيولوجية، وغالبا ما تحتوي على صيغ ذاتية ذات تأثير بيولوجي تعترف بها الخلايا، وتشمل الأمثلة المشتركة ما يلي:

  • Collagen type I] — the most abundant protein in mammals, used extensively for 3D culture of fibroblasts, cancer cells, and stem cells. Cells can contract and remodel collagen gels, making them highly dynamic.
  • Gelatin] — denatured collagen, often methacrylated (GelMA) for photo —crosslinking. Gelatin retains cell —binding motifs and MMP —sensitive sites.
  • Matrigel] — a basementmembrane extract from Engelbreth —Holm — Swarm mouse sarcoma, it contains laminin, collagen IV, entactin, and growth factors. Matrigel is widely used for organoid culture and angiogenesis assays, but its animalderto origind.
  • Hyaluronic acid (HA)] - a non — a non —sulfated glycosaminoglycan found in many tissues. HA can be chemically modified (e.g., methacrylated HA) to form stable hydrogels.
  • Alginate] — a polysaccharide from seaweed that forms ionically crosslinked gels with calcium. Alginate is biocompatible but does not contain mammalian cell-binding sites; it is often blended with other biopolymers.
  • Fibrin] - formed by the action of thrombin on fibrinogen. Fibrin gels are used in wound healing and tissue engineering, and they are naturally degraded by plasmin.

وتعيد هيدروغلات طبيعية بشكل وثيق تحديد مدى التعقيد الكيميائي الأحيائي للتحكم في المواد الكيميائية المحلية، ولكنها تعاني من محدودية توحد الممتلكات الميكانيكية واللاتجانس المحتمل أو التلوث.

Synthetic Hydrogels

وتنتج الهيدروجيلات الاصطناعية من البوليمرات التي يصنعها الإنسان والتي لها كيمياء محددة جيداً ويمكن التحكم في ممتلكاتها بدقة، كما أنها تتيح إعادة إنتاج أعلى، وتشمل الفئات الرئيسية ما يلي:

  • Poly(ethylene glycol) (PEG)] - أكثر منصة هيدروجيل اصطناعي شيوعاً، PEG غير مأمون بيولوجياً، لذا يجب تشغيله بواسطة البذور الشهيرة ومتشابكة عبر الكيمياء النقرية، أو ردود الفعل الفوقية، أو التخريب الضوئي المضغي العادي.
  • Poly(vinyl alcohol) (PVA)] - يمكن أن تكون متداخلة مع الغلوتارالديهايد أو من خلال دورات الجمجمة - ثاوس.
  • Poly(2 — hydrodroxyethyl methacrylate) (PHEMA) - historically used for contact lenses; PHEMA hydrogels are stable and can be modified for 3D culture.
  • Poly(N —isopropylacrylamide) (PNIPAAAm) ] - a thermoresponsive polymer that gels above 32°C, allowing cell sheet harvesting.
  • Self-assembling peptides - peptides الاصطناعية القصيرة التي تشكل نانوفبيرات بيتا في ظروف فيزيائية، مما ينشئ مهبطاً للهيدروغيل يُعدّ هيكل الألياف ECM.

وتقضي الهيدروجيلات الاصطناعية على العديد من الشكوك في المواد الطبيعية، ولكنها تفتقر إلى النشاط البيولوجي المتأصل المطلوب للعديد من أنواع الخلايا، ولذلك فإن النظم الهجينة التي تجمع بين التخلف الاصطناعي والتطبيق الحيوي أصبحت شائعة بشكل متزايد.

Properties of Hydrogels for ECM Mimicry

الاختبارات الميكانيكية

ويمكن أيضاً صياغة الهايدروغلات لتغطية مجموعة واسعة من الشعارات النبيلة - من الأنسجة الدماغية اللينة (0.1 إلى 1 كيلوباسكال) إلى تضخم العظام أو الكريات (نحو 10 إلى 40 كيلوباسكال، أو حتى أعلى) مثلاً، يمكن أن تُستخدم الهيدروجينات الهيدروجينية من نوع متعدد الكلور أو من خلال تركيزات متعددة.

الاحتمال والقابلية للتحمل

ويتيح قياس مثالي للكميات المغناطيسية الإليكترونية نشر الأكسجين والمغذيات ومنتجات النفايات على نحو فعال، ويحدد حجمها وترابطها وحجمها المتوسط معدلات النقل، ويمكن تصميم الهيدروجيلات الاصطناعية باستخدام تقنيات مثل التجميد أو الغسل الملحي أو الصبغ الكهربائي، وفي بعض الحالات، يجري إدخال خلايا التكاثر (100 ميكروم) للسماح بالهجرة.

النشاط البيولوجي والتحلل

ولدعم وظائف الخلايا، يجب أن يقدم الهيدرغيلان أكاذيب الصمامات (مثلاً RGD، و YIGSR، و IKVAV) والمواقع الملزمة لنمو المفاعلات، وينبغي أيضاً أن تكون قابلة للتحلل - إما عن طريق الأنزيمات المتردية الحساسة للزنزانات أو عن طريق التحلل الهيدرولي - بحيث يمكن للخلايا أن تعيد تشكيل المصفوفة، وتهاجرها وتودعها بنفسها.

التأقلم البيسكولي

إن أسلوب الإدارة البيئية الوطنية ليس متطرفاً تماماً، بل إنه يظهر سلوكاً متأصلاً - تخفيف الضغط والزحف المعتمد على الزمن - وتبين الدراسات الأخيرة أن الهيدروجيلات الملتوية الفاسدة تشجع على انتشار الخلايا وانتشارها على نحو أكثر فعالية من مجرد الهدروغلات المهبليّة ذات الشدة، وأن تصميم المهادّات الهيدروجيلية التي تخفف من حدة الإجهاد الناجم عن أنسجة المحددة هو مجال نشط من مجالات البحث.

مزايا الهيدروغلز على الثقافة 2D

  • Physiological morphology:] Cells in 3D hydrogels adopt in vivolike fashions (e.g., rounded for mesenchymal stem cells, elongated for fiblasts) rather than flattened, spread morphologies seen on plastic.
  • Improved differentiation:] Stem cells receive properميكانيكي and biochemical cues. For instance, neural progenitors differentiate into neurons more efficiently in soft hydrogels than in 2D.
  • Cell —cell and cell —matrix interactions:] 3D cultures permit natural contact between cells and with themel, leading to formation of adherens junctions and gap junctions.
  • Drug response prediction:] Cancer cells in 3D hydrogels show greater resistance to chemotherapeutics compared to 2D monolayers, more closely mimicking in vivo drug sensitivity.
  • Long‐term culture:] Hydrogels can maintain viable cultures for weeks or months, whereas 2D cultures often become confluent and senescent within days.

تطبيقات الثقافة ذات القاعدة 3D

Tissue Engineering and Regenerative Medicine

وتستخدم الهيدروجيلات الهيدروجينية كبش فصول لتوليد الخلايا إلى الأنسجة المضرورة، فعلى سبيل المثال، تستخدم الهيدروجيلات القابلة للحرق والمليئة بالكمائن أو خلايا الجذع الميزانزمية لإصلاح المجازر، وتروج المهابط المحتوية على غلاظير مجهزة بالفلور مع عوامل تذبذب العظام، وتتسارع معدلات النسيج المولدات الكهرمائية الجديدة.

الثقافة النباتية والفولطية

الخلايا البلاستيكية التي تُزرع في ماتيجيل أو في محركات الهيدروجيلات الاصطناعية ذاتية التنظيم في أجهزة ذاتية صغيرة تعيد رسم هيكل ووظيفتها من الأنسجة مثل الأمعاء والأدمغة والكبد والكلي، وتقدم الهيدروغيلات الدعم المادي والتدرجات الكيميائية الحيوية اللازمة للتنظيم الذاتي، وقد تطور العمل مؤخراً تعريفاً كاملاً للهيدروليكولوجيا المحتوية على مواد كيميائية.

نمذجة الأمراض وفحصها

وتشكل خلايا الأورام المسببة للمرضى التي تنمو في الهيدروجيلات مركبات أورام أو أجهزة مجهزة بمرضى، وتحتفظ بالسرطان الأصلي، وتستخدم هذه النماذج في فحص المخدرات عالي المخرجات والطب الشخصي، ويمكن أيضا استخدام الهيدروجيلات لتخفيف الرئوي الرئوي لأمراض مثل التهاب الكبد أو منصة التليف الرئوي.

دراسات الأورام والتعميم

وتشكل خلايا الإلتهاب المسبب للمرض المسبب للسرطان التي تُزرع في كولاجين أو ألياف الكبريت شبكات شبيهة بالكابيليات عندما تُحفز بعوامل غير متجانسة، وتستخدم هذه النماذج لدراسة الأورام المسببة للإصابة، ومعالجة الجروح، وفعالية العقاقير المضادة للأنج، ويتيح إدراج الخنازير أو الخلايا العضلية السلسة بناء فصيلة وظيفية أكثر نضجا.

الطباعة الأحيائية

فالهيدروغلات التي يمكن أن تتداخل بطريقة خاضعة للمراقبة المكانية (مثلاً، غلاماً قابلاً للتداول بالصور أو بي جي - ديكريتال) هي المحاور الرئيسية للطباعة الأحيائية القائمة على الإبطال، ويمكن للتشييدات المطبوعة أن تحتوي على أنواع خلايا متعددة مرتبة في أنماط ذات صلة بالدماغ، ويظل التحدي يتمثل في طباعة المباني الكبيرة ذات الاستقرار الميكانيكي الكافي والتعقيم الميكانيكية للحفاظ على القدرة على البقاء.

For a comprehensive review of hydrogel applications, see Nature Reviews Materials (2020)].

القيود والتحديات

وعلى الرغم من نجاحات هذه البلدان، تواجه الهيدروجيلات عدة عقبات قبل انتشار الترجمة السريرية:

  • Mechanical strength:] Most hydrogels areميكانيكية weak and can be torn or compressed during handling. Hybrid hydrogels with interpenetrating networks or reinforcement with nanoparticles are being developed.
  • Degradation control:] Natural hydrogels often degrade too quickly or unpredictably. Synthetic hydrogels can be designed with controlled degradation rates, but the by —products must be non--toxic.
  • Batch variability:] Matrigel and other animal —derived hydrogels suffer from lot -tolot differences, which compromises reproducibility. The field is moving toward chemically defined, xenoضمfree hydrogels.
  • Immune response:] Implanted hydrogels can provoke foreign —body reactions, including inflammation, fibrosis, and encapsulation. Strategies to mitigate this include using ultra-low fouling materials and incorporating anti-inflammatory agents.
  • Vascularisation:] Thick constructs ( ⁇ 200 mim) require a operational blood supply to prevent necrosis. Pre —vascularisation, microfluidics, and incorporation of angiogenic factors are active research areas.
  • Scale —up and reproducibility:] Translating a laboratory —scale hydrogel to a GMP —compliant product requires rigorous quality control of raw materials, crosslinking, and cell seeding.

الاتجاهات المستقبلية والاستراتيجيات الناشئة

Smart and Stimuli —Responsive Hydrogels

فالهيدروغلات التي تستجيب للهيدروجيني أو درجة الحرارة أو الضوء أو الانزيمات أو الحقول المغناطيسية تسمح بمراقبة دينامية للبيئة المجهرية الخلوية، فعلى سبيل المثال، فإن الهيدروجيلات التي تثبط عند التعرض للضوء الأزرق تمكن الباحثين من دراسة كيفية استجابة الخلايا للتغييرات الميكانيكية التدريجية، كما أن الهيدروجيلات المستجيبة للزيئات التي لا تطلق عوامل النمو إلا عندما يكون النشاط من نوع إم بي إم بي قد تطور من أجل إعادة توليد الأنسجة.

Decellularized ECM Hydrogels

ويمكن إزالة الأعضاء أو الأنسجة (مثل القلب والرئة والكبد) من خلال إزالة المكونات الخلوية مع الحفاظ على المقياس الكيميائي المحلي، مما يؤدي إلى ازدهار الكيماويات الإلكترونية، ويمكن إعادة تشكيلها إلى هودروجيل، وهذه المسماة هيدروغلزات دي إم يحتوي على المرجع الكامل للبروتينات الخاصة بالنسيج، والبراكين الغليكومية، ومع ذلك فإن عوامل الإنتاج الأكثر صحة.

التكامل مع الفلوريكات والتشويشات العضوية - المتعددة

ويجري إدماج الهيدروجيلات في أجهزة ميكروفونية لإنشاء نظم للتشب بالأعضاء تبث ثقافة الـ 3D بالمغذيات وتزيل النفايات، ويتيح هذا الجمع الثقافة الطويلة الأجل للخلايا البشرية الأولية ويتيح إجراء دراسات عن الأيض والنقل والسمية في ظروف التدفق، وتقيم شركات مثل إمبايت وميميتاس هذه البرامج تجاريا.

التصميم العالي للهيدروغل مع التعلم في الآلات

وينتج عن فحص كبير للمنتجات في مكتبات هيدروغل - وهي تركيبة مختلفة من البوليمرات، ونوع الموصلات، والثبات، والتحلل - بيانات كبيرة، ويمكن أن تنبأ خوارزميات التعلم من الآلات بالصياغة التي تدعم على أفضل وجه نوع معين من الخلايا أو وظيفة معينة، مما يقلل بدرجة كبيرة من عدد التجارب التجريبية من جانبها.

الترجمة السريرية للعلاجات الهيدروجيلية - البلازمة

وقد حصلت عدة منتجات هيدروجيل على موافقة تنظيمية، منها هيالغان (حامض هيالورونيك لتصليح النعام)، وتيسسل (ختم الكاذبين)، وداراسيل (المخلوقات الختمية الدهونية القائمة على أساس بيجي) ومن المرجح أن تجمع المنتجات المقبلة بين الهدروغيلات والخلايا الأحيائية لإصلاح المخرفة، وتصلب القلب، وتظهر الاختناق الرئيسي السلامة الحيوانية الطويلة الأجل.

For more information on clinical applications, see Bioactive Materials (2020).

خاتمة

وقد انتقلت الهايدروغلات إلى ما هو أبعد من مصفوفات التوليد الخلوية البسيطة لتصبح منابر عالية الهندسة تعيد رسم النسيج الجزيئي والميكانيكي والتعقيد الهيكلي لمركبات الكربون الهيدروكلورية فلورية المحلية، وتوفر الهيدروجيلات الطبيعية القدرة على التوحيد، وتجمع النُهج الهجينة بين أفضل العالمين، وتمتد التطبيقات الحالية بين الهندسة النسيجية، والبيولوجيا المضغوطة، وتف المحتوي على مواد على التحلل الأحيائي.