הידרוג'ל בתור מטריקס אקסטרולר Mimics בתרבות תאים תלת-ממדית

תרבות תאי תלת מימדית (3D) הפכה לכלי חיוני במחקר ביו-רפואי מודרני כי היא מאמת מחדש היבטים מרכזיים של ה-FLT:0in vivoFLT:1 microenvironment. בלב המהפכה הזו הם הידרוגלים - רשתות פולימרים מים אשר ניתן להנדס כדי לחיקוי מקרוב את המטבוליטים האחרים (MEC) לבחון את עקרונות, ואסטרטגיות הידרוגלות רלוונטיות, כמו אלה, כמו אלה הם סימנים של חומרים CMs, כמו גם תכונות רלוונטיות, ופרטים, כמו גם פיזיולוגיות, כמו אלה, ופרטים, כמו גם תכונות פיזיולוגיות, ואפקטים, ופרטים יותר, כמו אלה, כמו גם CMs, אשר ניתן לחיקוי, כמו אלה, כמו גם פיזיולוגיות, כמו אלה הם פיזיולוגיות, כמו גם מנגנונים רלוונטיים יותר, כמו אלה הם מנגנונים רלוונטיים יותר, מנגנונים מתקדמים, מנגנונים מנגנונים מנגנונים מנגנונים פיזיולוגיים, פיזיולוגיים, פיזיולוגיים יותר מנגנונים מנגנונים מתקדמים יותר, כמו מנגנונים מתקדמים יותר מנגנונים מנגנונים מנגנונים מתקדמים יותר מנגנונים מנגנונים מנגנונים מנגנונים מנגנונים מנגנונים מנגנונים מנגנונים מנגנונים מנגנונים מנגנונים מנגנונים מנגנונים מנגנונים אידיאולוגיים, כמו

המטריקס התוספתי: דינמיקה

ברקמות חיים, תאים מוטבעים בתוך ECM - רשת מורכבת, תלת-ממדית של חלבונים, גליקופרוטאינים, ופוליsaccharides. ECM מספק לא רק תמיכה מבנית אלא גם רמזים ביוכימיים ומכניים אשר לווסת את הדבקות התאית, הגירה, התפשטות, נוקשות, רכיבים הישרדות כוללים קולגן, fibronectin, laminin, elastin, elastin, ו-mosa סוג כזה של hydrosic כגון נוזל מתכת.

שתי ממדיות מסורתיות (2D) monolayer תרבויות לכפות תאים על תת-קרקעית נוקשה, שטוחה נושאת מעט דמיון לסביבה 3D טבעית זו. תאים על פלסטיק או זכוכית להראות מורפולוגיה חריגה, ביטוי גנים שינוי, ואובדן של פונקציות ספציפיות רקמות. הידרוגלים להתגבר על המגבלות הללו על ידי מתן hydrated, 3Daffold כי ניתן לכוון כדי להתאים את התכונות הפיזיות והכימיקליות של ECM הילידים.

מה הם הידרוג'ל?

הידרוגלים הם רשתות מחוספסות של פולימרים הידרופיליים שיכולים לספוג ולשמור כמויות גדולות של מים - לעתים קרובות 90-99% מהמשקל הכולל שלהם.תוכן המים הגבוה הזה נותן להם עקביות רכות, דמוית רקמות.הקשרים יכולים להיות פיזיים (למשל, אגרות מימן, אינטראקציות איטוניות, סבך שרשרת) או כימיקלים (קשרי ערך), והרשת המתקבלת יכולה להיות מעוצבת כדי להישאר יציבת או יציבה.

מכיוון ש הידרוגלים הם מאוד ניתנים לחמצן, חומרים מזינים, פסולת מטבולית, הם יכולים לתמוך בכדאיות התא לאורך בניין 3D. הם יכולים גם להיות פונקציונליים עם ligands (למשל, RGD peptides), גורמי צמיחה, או מולקולות ביואקטיביות אחרות להתנהגות תאים ישירה.

סוגים של הידרוגלs המשמשים Mimic Native ECM

הידרוגל טבעי

הידרוג'ל טבעי נגזר ממקורות ביולוגיים ולעתים קרובות מכיל מוטיבים ביואקטיביים פנימיים פנימיים פנימיים פנימיים פנימיים אשר תאים מכירים.

  • (FLT:0) סוג קוללגן IFLT:1 - החלבון בשפע ביותר ביונקים, המשמש נרחב לתרבות תלת-ממדית של פיברסטולס, תאים סרטניים, תאים גזע יכול חוזה ותאים מחדש קולגן קולגן, מה שהופך אותם דינמיים מאוד.
  • (ב) [ה] [ה]]: [ה] [ה]] [ה], [ה], לעתים קרובות מְהָעָשָׂה,] לצילום-קרוסינג.
  • (FLT:0)MatrigelveFLT:1 - תמצית מרתף-membrane מן אנגברה-Holm-Swarm עכבר סרקקומה.It מכיל laminin, קולגן IV, entactin, וגורמי צמיחה. Matrigel משמש נרחב לתרבות אגואידית ו angiogenesis אסימונים, אבל מקורם בעל חיים הציג אחווה.
  • (FLT:0) חומצה היאלורונית (HA)ראהFLT:1) - גליקוזיזומנוגליצראן שאינו מסולף נמצא ברקמות רבות. HA יכול להיות שונה מבחינה כימית (למשל, methacrylated HA) כדי ליצור הידרוגלים יציבים.
  • (FLT:0) אלג'לייטפל 1 (AlginateFLT:1) - פוליצריד מן הים כי צורות באופן חד משמעי ג'לים מחוברים עם סידן. Alginate הוא לא מתאים אבל לא מכיל אתרי ממאמלי תאים; זה לעתים קרובות מעורבב עם biopolymers אחרים.
  • (FLT:0)FibrinigmalFLT:1 - נוצר על ידי הפעולה של thrombin על fibrinogen. Fibrin ג'לים משמשים בריפוי הפצעים והנדסה רקמות, והם באופן טבעי מסולקים על ידי plasmin.

הידרוג'ל טבעי משמיד את המורכבות הביוכימית של Native ECM, אך הם סובלים מקניות מוגבלת של תכונות מכניות ו immunogenicity פוטנציאלי או זיהום.

המונחים: Synthetic hydrogels

הידרוג'ל סינתטי מיוצרים מפולימרים מעשה ידי אדם עם כימיה מוגדרת היטב.הנכסים שלהם יכולים להיות נשלטים בדיוק, והם מציעים התחדשות מעולה.שיעורים מרכזיים כוללים:

  • (FLT:0)Poly (אתילן גליקול) (PEG) 1FLT: פלטפורמת הידרוג'ל הסינטטית הנפוצה ביותר. PEG היא אינרציה ביולוגית, ולכן יש לפעול עם peptides דבקות וחצו מקושר באמצעות כימיה לחץ, תגובות thiol-ene, או acrylate photopolymerization.
  • (FLT:0)Poly(vinyl אלכוהול) (PVA)BuildFLT) 1 - ניתן לחצות את הקשר עם גלוטאראלדה או באמצעות מחזורי הקפאת שומן.PVA הם חזקים מכניים ומשמשים לתיקון רקמות רך.
  • (FLT:0)Poly(2-hydroxyethyl methacrylate) (PHEMABAFLT:1 - בשימוש היסטורי בעדשות מגע; PHEMA hydrogels הם יציבים וניתן לשנותם עבור תרבות 3D.
  • (ב) [ה] [ה]] [ה]] [ה]] [ה]]] [ה]]]][ה]]]][ה]]]][ה]]]]][ה']'[ה']'[ה']'[ה']'[ה'[ה']']'[ה']'[ה']'[ה'[ה']']'[ה'[ה']'[ה'[ה']']'[ה'[ה'[ה'[ה'[ה'[ה']']'[ה'[ה'[ה'[ה']']']']'[ה']']'[ה'[ה']'[ה']']']']']']'[ה'[ה']'[ה'[ה'[ה'[ה']']'[ה'[ה']']'[ה'[ה'[ה']']'[ה']']'[ב'[ה'[ה'[ה'[ה
  • (FLT:0) ,Self-assembling peptidessover LT:1) - peptides סינתטי קצר טופס ננופיבר תחת תנאים פיזיולוגיים, יצירת הידרוג'ל המחקה את מבנה ה-Fiberus ECM.

הידרוג'ל סינתטי מבטל הרבה אי-ודאות של חומרים טבעיים, אבל הם חסרים את הביואקטיביות הפנימית הנדרשת עבור סוגים רבים של תאים. לכן, מערכות היברידיות המשלבות עמודות אחוריות סינתטיות עם פונקציונליות ביואקטיבית הם פופולריים יותר ויותר.

תכונות עיקריות של הידרוג'ל עבור ECM Mimicry

תכונות מכניות

צלולי תאים ולהגיב לנוקשות של המריצה המקיפה שלהם דרך מסלולים mechanotransduction. hydrogels ניתן לנסח כדי לכסות מגוון רחב של מודולולי - מרקמות המוח הרכות (~0.1-1 kPa) כדי עצם נוקשה או cartilage (~10-40 kPa, או אפילו גבוה יותר) עבור, PEG hydroGgels יכול להיות מכוונן על ידי ריכוז פולימר או צפיפות טבעית.

תמימות ושגשוג

חיקוי אידיאלי ECM מאפשר דיפוזיה יעילה של חמצן, חומרים מזינים ומוצרי פסולת. גודל Pore, קישוריות, גודל mesh לקבוע שיעורי תחבורה. ⁇ סינתטיים ניתן לתכנן עם נקבוביות מבוקרת באמצעות טכניקות כגון הקפאה, מלח, או אלקטרוסמנטינג. במקרים מסוימים, מאקרו-פווזיות (>100m) מוצג כדי לאפשר הדבקה ו-Recarvastation.

פעילות ביולוגית ודיכאון

כדי לתמוך בתפקודי התא, הידרוגלס חייב להציג ligands (למשל, RGD, YIGSR, IKVAV) ואת אתרי צמיחה-factor-inding.הם צריכים גם להיות מלוטש - או באמצעות אנזימים סודיות תאים (MMP-רגישים קישורים) או על ידי הידרוליזה - כך תאים יכולים לעצב מחדש את המרגר, ואת הפקד שלהם.

פונדקאות

Native ECM אינו אלא גמיש; הוא מציג התנהגות מולקולסטית - זמן תלוי רגיעה וצמר. מחקרים אחרונים מראים כי הידרוג'ליסטים מולטי לקדם התפשטות תאים ותפוצה יעילה יותר מאשר הידרוג'ליסטים טהורים של אותה נוקשות.עיצוב של הידרוגלים המחקים את תכונות ההפחתה של מתח של רקמות ספציפיות הוא תחום פעיל של מחקר.

היתרונות של הידרוג'ל על 2D תרבות

  • (FLT:0) מורפולוגיה פיזיולוגית:FLT:1 Cells in 3D hydrogels לאמץ בצורות דמויי vivo (למשל, מעוגל לתאי גזע mesenchymal, מוארך עבור fibroblasts) ולא שטוח, התפשטות מורולוגיות נראה על פלסטיק.
  • (FLT:0) שיפור המבדיל: תאים Stem לקבל רמזים מכניים וביוכימיים מתאימים.לדוגמה, פרוגנים עצביים נבדלים לנוירונים ביעילות רבה יותר ב הידרוגליל רך מאשר ב 2D.
  • (FLT:0) Cell-cell ואינטראקציות בין תאיים: גלקסיות 3D מאפשרות מגע טבעי בין תאים לבין הממטריקס, המוביל להיווצרות של צומתים וצומתי פערים.
  • (FLT:0) תחזית התגובה של דרוג: תאים סרטניים 1FLT:1 ב 3D הידרוגלs מראה התנגדות גדולה יותר לסכפילטיקה בהשוואה למונו-שכבות 2D, יותר מחקה בזהירות רבה ברגישות סמים vivo.
  • תרבות ארוכת טווח: 1FLT:1 hydrogels יכול לשמור על תרבויות קיימא במשך שבועות או חודשים, בעוד שתרבויות 2D לעתים קרובות להיות מושפע ומשתנה בתוך ימים.

תגיות: Hydrogel- Based 3D Cultures

הנדסת מכונות ורפואה חדשנית

הידרוג'ל משמשים כפיתולים כדי לספק תאים לרקמות פגועות.לדוגמה, הידרוג'לים בלתי ניתנים להזרקה מלא צ'ונדרציטים או תאי גזע mesenchymal משמשים לתיקון קלחוס. Gelatin מבוסס הידרוג'לים עמוסים בגורמים אוסטאוגניים לקדם התחדשות העצם. Fibringels עם פצע דרמטיבlasts מאיץ את הריפוי.

תרבות ארגונואיד ו-Spheroid Culture

תאים סטרם זרעו ב Matrigel או hydrogels self-organise לתוך איברים זעירים - איברים זעירים כי recapitulate את האדריכלות ואת הפונקציה של רקמות כגון המעי, המוח, הכבד וכליות. הידרוגלים לספק תמיכה פיזית ו ⁇ s ביוכימיים הדרושים עבור ארגון עצמי.עבודה חדשה פיתחה הידרוגלס סינתטי לחלוטין עבור תרבות אוברדיואיד, צמצום ההסתמכות על תמצית חיה גרועה המוגדרת.

מחלות דוגמנות ובדיקת סמים

תאי גידול מטופלים שגדלו ב הידרוגלס יוצרים spheroids גידול או או אבראידים מאוגדים של המטופל ששמרו על הטרוגניות של הסרטן המקורי.מודלים אלה משמשים עבור בדיקות סמים גבוהה ורפואה אישית. הידרוגלs יכול לשמש גם כדי לחקות את ה-ECM הפימביארי של מחלות כגון cirsis כבד או fibroarysis, המספקים פלטפורמות ניסיוניות לתרכובות אנטי-פרומטיות.

Angiogenesis ו-Vircularization Studies

תאים אנדואליים התתרבות ב קולגן או fibrin hydrogels טופס capillary-like רשתות כאשר מעוררים עם גורמים אגוגניים.מודלים אלה משמשים כדי ללמוד אנגיוגנזה, ריפוי הפצע, ואנטי אנגיוגניים יעילות התרופה.שילוב של perictes או תאים חלקיים שרירים מאפשר בנייה של יותר בוגר, פונקציונלי.

Bioprinting

הידרוג'ל שניתן לחצות באופן נשלט מרחבי (למשל, גלמה מפונקת תמונה או PEG-diacrylate) הם החרקים העיקריים עבור הדפסה תלת מימדית מבוססת 3D. מבנים מודפסים יכול להכיל סוגים מרובים של תאים מסודרים בדפוסים רלוונטיים אנטומיים.האתגר נשאר להדפיס מבנים גדולים עם יציבות מכנית וvascularization מספיק כדי לשמור על יכולת.

עבור סקירה מקיפה של יישומי הידרוג'ל, ראה:0 חומרים הטבע ביקורות חומרים (2020)Fillo:1.

גבולות ואתגרים

למרות הצלחותיהם, הידרוגלס ניצבים בפני כמה מההידים לפני התרגום הקליני הנרחב:

  • כוח מכני:0 (FLT:1) רוב הידרוג'ל הם חלשים מבחינה מכנית, ניתן לקרוע או לדחוס במהלך הטיפול. הידרוג'ל היברידי עם רשתות בין-טקראטיות או חיזוק עם חלקיקים מפותחים.
  • (FLT:0) שליטה בהדרגות: 1FLT:1 hydrogels טבעי לעתים קרובות מחלחל מהר מדי או ללא ספק. hydrogels סינתטי ניתן לתכנן עם שיעורי השפלה מבוקרים, אבל את תוצרי לוואי חייב להיות לא רעיל.
  • (FLT:0)btch variability:FLT:1 Matrigel ו hydrogels אחרים בעלי חיים סובלים מהבדלים רבים עד לוט, אשר מתפשרת על הסתברות.השדה עובר לכיוון מוגדר מבחינה כימית, הידרוגלים ללא xeno.
  • (FLT:0) תגובה של דם: 1FLT:1 hydrogels יכול לעורר תגובות גוף זר, כולל דלקת, fibrosis, ו encapsulation.אסטרטגיות כדי להפחית את זה כולל שימוש בחומרים נמוכים יותר ושילוב סוכנים אנטי דלקתיים.
  • (FLT:0)Vascularization: FLT:1 טפסים (>200 מיקרומטר) דורשים אספקת דם פונקציונלית למניעת פרוצדורה. Pre-vascularization, microfluidics, ושילוב של גורמים אגוגניים הם תחומי מחקר פעילים.
  • (FLT:0)Scale-up and Reproducibility: OVAFLT:1 תרגם הידרוג' בקנה מידה מעבדה למוצר GMP-compliant דורש בקרת איכות קפדנית של חומרי גלם, עיגול, ותצפיות תאים.

אסטרטגיות עתידיות ואסטרטגיות מתפתחות

חכם ו Stimuli-Responsive hydrogels

הידרוג'ל להגיב ל- pH, טמפרטורה, אור, אנזימים או שדות מגנטיים מאפשרים שליטה דינמית על המיקרו-סביבון התאי.לדוגמה, הידרוג'לים שמקשים חשיפה לאור כחול מאפשרים לחוקרים ללמוד כיצד תאים מגיבים לשינויים מכניים הדרגתיים. Enzyme-responsive hydrogelsive hydrogelsive hydrogels המשחררים גורמי צמיחה רק כאשר פעילות MMP מפותחת לרקמות.

ECM hydrogels

איברים שלמים או רקמות (למשל, לב, ריאות, כבד) יכולים להיות מסולקים להסיר רכיבים סלולריים תוך שמירה על הילידים ECM.ה-ECM וכתוצאה מכך הוא solubilated ויכול להיות restructed לתוך הידרוג.אלה שנקראים הידרוגלס DECM מכילים את הרפרטואר המלא של חלבונים ECM ספציפיים רקמות, גליגליצרנים, וגורמים צמיחה, לספק את השיטות האפשריות ביותר, אך עדיין לא סטנדרטיות.

שילוב עם Microfluidics ו-Orc-on-Chip

הידרוג'ל מוטבעת למכשירים מיקרו-השפעהיים כדי ליצור מערכות של איברים על שבבים המחלחלים את התרבות התלת מימדית עם חומרים מזינים והסרת פסולת.שילוב זה מאפשר תרבות ארוכת טווח של תאים אנושיים ראשוניים ומאפשר מחקרים של חילוף החומרים של תרופות, תחבורה, ו רעילות בתנאים זרימה. חברות כגון Emulate ו- Mimetas משווקו פלטפורמות כאלה.

עיצוב הידרוג' מתקדם עם Machine Learning

הקרנה של ספריות הידרוגל - מגוון של ייצור פולימרים, סוג crosslinker, קשיחות ו degradability - מייצרת נתונים גדולים. אלגוריתמי למידת מכונה יכולים לחזות את הפורמולה אשר הכי טוב תומך סוג תא מסוים או תפקוד, להפחית באופן דרסטי את מספר הניסויים של הניסויים וטרור.

תרגום קליני של הידרוגל - מבוסס על האנסים

כמה מוצרי הידרוג'ל קיבלו אישור רגולטורי, כולל Hyalgan (חומצה היאלורונית לאוסטאוארת'ריטיס), Tissel (Fibrin Imvalant), ו DuraSeal (PEG-based-עמידהתאיות עמידות) יתמזגו ככל הנראה הידרוג'ל עם תאים או ביולוגיים לתיקון טרחוס, ליטלים, וריפוי.הבק הראשי מדגים יעילות לטווח ארוך ומודלים בבעלי חיים בבני אדם גדולים.

לקבלת מידע נוסף על יישומים קליניים, ראה חומרים (FLT:0)Bioactive Materials (2020)FLT:1.

מסקנה

הידרוגלים עברו מעבר למורכבות פשוטה של תאים כדי להפוך פלטפורמות מונדסים מאוד כי recapitulate את המורכבות המולקולרית, מכנית ומבנית של Native ECM. הידרוגלס טבעי מציעים ביואקטיביות, הידרוגלס סינתטי מציעים טונה, וגישות היברידיות משלבות את הטוב ביותר של שני העולמות.