Hidrojektes, Üç Boyutlu Hücre Kültüründe Ekstracellular Matrix Mimics olarak

Üç boyutlu (3D) hücre kültürü modern biyomedikal araştırmalarında temel bir araç haline geldi çünkü yerli ekstraktüre matrix (ECM) yeniden yapılandırılabilir. Bu makale, ECM mimik olarak mikrojekteplerin prensiplerini ve uygulamalarını inceler, avantajları ve mevcut sınırlamalarını tartışır ve daha fizyolojik olarak ilgili modelleri daha yakından taklit edebilir.

Ekstracellular Matrix: Dinamik Bir Saffold

Canlı dokularda, hücreler ECM içinde gömülüdür - karmaşık, üç boyutlu protein ağı, glycoproteinleri ve polisaccharides. ECM sadece yapısal destek değil, aynı zamanda biyokimyasal ve mekanik cuesler, hücre adhesion, göç, prodüktif, farklılaşma ve hayatta kalma gibi. Anahtar bileşenler kolajen, fibronectin, laminin, elastin ve glycosaminoglycans gibi her doku kompozisyonu ve hipoksisiteyi içerir.

Geleneksel iki boyutlu (2D) monokat kültürü, bu doğal 3D ortamına küçük benzeyen katı, düz bir substrata kadar hücrelere güç verir. Plastik veya cam sergi anormal morfoloji, değiştirilmiş gen ekspresyonu ve dokuya özgü işlevlerin kaybı, bu sınırlamaları somut bir şekilde aşarak, yerel ECM'nin fiziksel ve kimyasal özelliklerini eşleştirmek için ayarlanabilir 3D scaffold.

Hidrojekteler Nedir?

Hidrojekteler, su absorbe edebilecek ve büyük miktarda su tutabilir olan hidrofilik polimerleri ağlarını birbirine bağlar - genellikle toplam ağırlıklarının% 90'ı. Bu yüksek su içeriği onlara yumuşak, doku benzeri tutarlılık sağlar.

Hidrojekteler oksijen, besin ve metabolik atıklar için oldukça yetersizdir, 3D inşa boyunca hücreyi desteklemektedirler. Ayrıca adhesion ligands (e.g., RGD peptidler), büyüme faktörleri veya diğer biyoaktif moleküllerin 3D hücreli kültürler için en yaygın kullanılan biyomalzeme sınıfını da destekleyebilirler.

Hidrogellerin türleri Mimic Yerli ECM'ye kullanılır

Doğal Hidrojektes

Doğal hidrojekteler biyolojik kaynaklardan elde edilir ve genellikle hücrelerin ortak örnekler içerdiğini kabul eden intrinsic bioaktif motifler içerir:

  • [FONT:0]Collagen tipi I - 3D fibroblastlar, kanser hücreleri ve kök hücreler için yaygın olarak kullanılan en bol protein.
  • [FONT:0)Gelatin[[Dönetici: 1) – denatured kolajen, genellikle foto-bağışlama için (GelMA) beni rahatsız etti. Gelatin hücreye duyarlı web siteleri koruyor.
  • [FONT:0]Matrigel[[DÜDÜT:1] – bir bodrum-membrane Engelleyici kökenli ekin çemberi sarkoma içerir. laminin, kolajen IV, endactin ve büyüme faktörleri içerir. Matrigel organoid kültürü ve angioz assays için yaygın olarak kullanılır, ancak hayvan-derived kökenini ortaya koyar.
  • [FONT:0)Hyaluronic asit (HA)) - birçok dokuda bulunan gereksiz bir glycosaminoglycan (örneğin, methacryl HA) stabil hidrojekteler oluşturmak için kimyasal olarak değiştirilebilir.
  • [FONT:0)Alginate[DÜT:1] - denizden polisaccharide bu formların kalsiyum ile bağlantıya geçtiği anlamına gelir. Alginate biyo-konomik olmayan ancak mammalian hücre-binding siteleri içermez; genellikle diğer biyopolimerlerle karıştırılır.
  • [FONT:0]Fibrin[DÜDÜT:1) – fibrinogen'deki tromboz eylemi ile kuruldu. Fibrin jelleri yara iyileşmesi ve doku mühendisliğinde kullanılıyor ve doğal olarak füzyon yoluyla bozuluyorlar.

Doğal Hidrogels, yerli ECM'nin biyokimyasal karmaşıklığını yakından yeniden yapılandırır, ancak mekanik özelliklerin ve potansiyel immünojenitenin veya kirlenmenin sınırlı gecikmesinden muzdariplerdir.

Sentetik Hidrojekteler

Sentetik Hidrojekteler, iyi tanımlanmış kimya ile insan yapımı polimerlerden üretilirler. Özellikleri tam olarak kontrol edilebilir ve üstün reroditebilite sunarlar.

  • [FONT=0)Poly( ⁇ glycol) (PEG)[Dönetici:0))[P))[tr|profeksiyonlar ve bağlantılar ile bağlantılı olarak, veya acrylate fotopolimerizasyon platformudur. PEG hidrogels oldukça özelleştirilebilir.
  • [FONT:0)Poly(vinyl alkol) (PVA)) - glutardehit ile veya donmuş çevrimlerle bağlantı kurabilir. PVA hidrojekteler mekanik ve yumuşak doku onarımı için kullanılır.
  • [FONT=0)Poly(2-hidrxyethyl methacrylate) ( CoolMA)) - tarihsel olarak kontak lensler için kullanılır; PHEMAZ'ler istikrarlı ve 3D kültürü için değiştirilebilir.
  • [FONT:0)Poly(N-isopropylacrylamid) (PNIPAAm)) - 32°C'nin üzerindeki jellere izin veren termoresponsive polimer.
  • [FONT:0)Kendini bir araya getiren peptidler[[DÜT 1: 1) - kısa sentetik peptidler bu form ⁇ sheet nanofiberler fizyolojik koşullar altında, fibrous ECM yapısını taklit eden bir hidrojektif yaratır.

Sentetik Hidrojekteler birçok doğal materyalin belirsizliğini ortadan kaldırır, ancak birçok hücre tipi için gerekli olan intrinsic biyoaktiviteden yoksunlar. Bu nedenle, sentetik sırt kemiğini biyoaktif fonksiyonelleştirme ile birleştiren karma sistemler giderek daha popüler.

ECM Mimik için Hidrogellerin Anahtar Özellikleri

Mekanik Özellikler Mekanik Özellikleri

Hücreler hissi ve çevre matrisinin mechanotransduction yolu ile ilgili katılığa yanıt verebilir. Hidrogels, çeşitli polimer konsantrasyonu veya bağlantı yoğunluğuyla ayarlanabilir.

Porosity ve Permeability

İdeal bir ECM mimik oksijen, besin ve atık ürünlerinin verimli bir şekilde difüzyonuna izin verir. Pore büyüklüğü, interconnectivity ve ağ büyüklüğü ulaşım oranları belirlenir. Sental Hidrogels, donatma, tuz leaching veya elektrospinning gibi teknikleri kullanarak tasarlanabilir. Bazı durumlarda makro-porosity (>100 μm) izin hücre göç ve damar nakli ve damar nakline izin verilir.

Biyoaktivite ve Degradability

Hücre işlevlerini desteklemek için, hidrogels, klasiyon ligands (e.g., RGD, YIGSR, IMATV) ve büyüme faktörü-binding siteleri degrad edilebilir olmalıdır - ya da hücreye duyarlı haçlı enzimler aracılığıyla) veya hidroli hücreler tarafından - bu yüzden matrixi yeniden modelleyebilir, göç edebilir ve kendi ECM’lerini depozitolar.

Viscoelasticityity

Yerli ECM tamamen elastik değildir; özellikle dokuların strese bağlı stres gevşemesi ve ürpertici hidrojekte edici özellikleri, viskoelastic hidrogels hücreyi yaygınlaştırmak ve aynı sertlikten daha etkili hale getirmektir. Hidrogels tasarımı, özel dokuların strese bağlı özellikleri aktif bir araştırma alanıdır.

Hidrogels'in 2D Kültürü Üzerindeki Avantajları

  • [FONT:0)Physiological morfoloji: Hücreler 3D Hidrogels in vivo benzeri şekiller (örneğin, mesenchymal kök hücreler için yuvarlak, fibroblastlar için elongated, plastik üzerinde görülen morfolojiler.
  • [FONT:0) Geliştirilmiş farklılaşma:[DDDDD) Stem hücreleri uygun mekanik ve biyokimyasal cues alır. Örneğin, sinir progenitorleri 2D'den daha verimli nöronlara ayırır.
  • [FONT:0]Cell-cell ve hücre-matrix etkileşimleri: 3D kültürler hücreler ve matrixle, takns kavimlerinin ve boşluk kavimlerinin oluşumuna yol açan matrisler ile doğal temasa geçti.
  • [FONT:0)Drug yanıt tahminine göre: [D Hidrogels'deki kanser hücreleri, 2D monokatlilere kıyasla daha fazla direnç gösteriyor, daha yakından taklit in vivo ilaç duyarlılığı.
  • [FONT:0]Uzun vadeli kültür: [DÜDÜT:1] Hidrogels haftalar veya aylar boyunca uygulanabilir kültürleri tutabilir, ancak 2D kültürler genellikle gün içinde duygusal ve duygusal hale gelir.

Hidrogel-Based 3D Kültürünin Uygulamaları

Tound Engineering ve Rejeneratif Tıp

Hidrojekteler hücrelere zarar veren hücreler olarak affolds olarak kullanılır. Örneğin, korondrositlerle dolu enjekte edilebilir hidrokarbonlar veya mesenchymal kök hücreleri yeni doku oluşumuna göre kullanılır. Gelatin bazlı hidrogels, kemik rejenerasyonu teşvik eder.

Organoid ve Spheroid Kültürü

Matrigel veya sentetik Hidrogels'in kendini organoidlere ayırdı - organoid kültürü için yeniden tanımlayan minyatür organlar, bağırsaklar, beyin, karaciğer ve böbrek gibi dokuların mimarisine ve işlevlerini azalttı. Hydrogels, fiziksel destek ve biyokimyasal gradyanlara kendi kendine özgü olarak gerekli olan biyokimyasal gradyanlar sağlamaktadır.

Hastalık modelleme ve İlaç Ekran

Hidrojektörlü tümör hücreleri Hidrojektörler veya akciğer kanserinin heterojenliğini koruyan, yüksek doz ilaç tarama ve kişiselleştirilmiş ilaç için kullanılır. Hydrogels, karaciğer kanseri veya akciğer kanseri gibi hastalıkların fibrotik ECM'sini de kullanabilir.

Angiogenesis ve Vascularizasyon Çalışmaları

Endothelial hücreler, kolajen veya fibrin hidrogels form capillary benzeri ağların anjiyojenik faktörlerle uyarıldığı zaman benzer. Bu modeller, tümör anjiyojen, yara iyileşmesi ve anti-angiojenik ilaç etkinliği incelemek için kullanılır.Incorporation of pericytes or correct kas cells allows the construction of more mature, functional vazoture.

Bioprinting Bioprinting

Mekanik olarak kontrol edilen bir şekilde bağlantılandırılabilecek Hidrogels (örneğin, foto-koleksiyonlanabilir GelMA veya PEG-köksüz), OPT tabanlı 3D biyoprinting için birincil inkslerdir.Bale yapılabilen modeller, anatomik olarak ilgili kalıplarda birçok hücre tipi içerebilir.

Hidrogel uygulamaları hakkında kapsamlı bir inceleme için, bkz.D:0)Doğa Yorumları Malzemeler (2020)[Dönemli: 1)

Sınırlamalar ve Zorluklar

Başarılarına rağmen, hidrogels yaygın klinik çeviriden önce birkaç engelle karşı karşıyadır:

  • [FONT=0]Mechanical power:[Dönetici:[Dönetici: 0) Çoğu hidrojektör mekanik olarak zayıftır ve işleme sırasında torn veya sıkıştırılabilir. Hybrid Hidrogels with interpenetating network or deploy with nanopartiküls are developed.
  • [FONT:0)Degradasyon kontrolü: [Dönetici: [Dönetici:0] Doğal Hidrojekteler genellikle çok hızlı veya öngörülemez bir şekilde bozulabilir. Sentetik Hidrojekteler kontrollü bozulma oranları ile tasarlanabilir, ancak ürün-toksit olmayan olmalıdır.
  • [FONT=0)Batch yetiability:[Dönetici:[Dönetici:0)[Dönetici:0)Batch variability:[Dönetici:[Dönetici:[Dönetici: · 1 ) Matrigel ve diğer hayvan-derived Hidrogels çok fazla farklılığa maruz kalıyor, bu da uzlaşmaya yol açıyor.
  • [FONT:0]Immune yanıt:[Döntilmiş Hidrojekteler, enflamasyon, fibroz ve encapsülasyon dahil olmak üzere yabancı tepkileri teşvik edebilir. Bu, ultra sağlanmış fouling malzemeleri kullanarak ve anti-inflamatuar ajanlar dahil etmek için Strategies.
  • [FONT:0)Vascularizasyon: Yapılar ( >200 μm) necrozis önlemek için işlevsel bir kan tedariki gerektirir. Pre-vascularizasyon, mikrofluidics ve angiojenik faktörlerin dahil edilmesi aktif araştırma alanlarıdır.
  • [FONT:0]Scale-up ve reproducability:[Dönetici:0) Bir laboratuvar ölçekli hidrojekte bir ürün, ham malzemelerin titiz kaliteli kontrolünü gerektirir, bağlantı kurmak ve hücre tohumlama.

Future Yol ve Gelişen Stratejiler

Akıllı ve Stimuli-Responsive Hydrogels

PH, sıcaklık, ışık, enzimler veya manyetik alanlar, hücresel mikroenvironment üzerinde dinamik kontrole izin veriyor. Örneğin, mavi ışıkla maruz kalma konusunda sert olan hidrogels, araştırmacıların hücrelerin nasıl kademeli mekanik değişikliklere cevap verdiğini incelemek için yardımcı oluyor.

Decellularized ECM Hydrogels

Tüm organlar veya dokular (örneğin, kalp, akciğer, karaciğer) yerli ECM'yi korurken, hücresel bileşenleri ortadan kaldırmak için hücreli sistemler ve büyüme faktörleri, şu anda mümkün olan en otantik mimikleme ve yeniden yapılandırılabilir.

Mikrofluidics ve Organ-on-Chip ile entegrasyon

Hidrogels, 3D kültürünü besinlerle ve atıklarla donatmak için organ-on-çip sistemleri oluşturmak için mikrofluidic cihazlara gömülüdür. Bu kombinasyon, birincil insan hücrelerinin uzun vadeli kültürünü sağlar ve ilaç metabolizması, ulaşım ve toksisitenin çalışmalarını sağlar. Emulate ve Mimetas gibi şirketler bu tür platformları ticarileştirmiştir.

Makine Öğrenme ile Gelişmiş Hidrogel Tasarımı

Hidrogel kütüphanelerinin yüksek taramaları - çeşitli polimer kompozisyonu, çapraz bağlantı tipi, sertlik ve degradability - büyük veri setleri üretmektedir. Makine öğrenme algoritmaları, özel bir hücre tipi veya işlevi destekleyen formülasyonu tahmin edebilir, büyük ölçüde deneme-ve-terör deneyleri sayısını azaltır.

Hidrogel-Based Therapies Klinik Çeviri

Çeşitli Hidrojek ürünler Hyalgan (hipaluronik asit osteoartrit için) dahil olmak üzere düzenleyici onay aldı, Tissel (fibrin mühürleyici), ve DuraSeal (PEG tabanlı dural mühürleyici) Gelecek ürünler büyük ölçüde kartilasyon onarımı, kardiyak yamalar ve yara iyileşmesi için Hidrojektifleri bir araya getirecek.

Klinik uygulamalar hakkında daha fazla bilgi için, bkz.Diyoaktif malzemeler (2020)[Dönetici:0]

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Hidrogels, hem dünyaların en iyi şekilde bir araya gelmesi için basit hücre yataklarının ötesine geçti. Mevcut uygulamalar, moleküler, mekanik ve yerel ECM'nin yapısal karmaşıklığı. Doğal Hidrogels teklif biyoaktivite, sentetik Hidrogels teklif edilebilirlik ve hibrit yaklaşımlar, ve makine öğrenimi mevcut 3Doksik teknolojileri aşmak için en iyi şekilde bir araya geliyor.