水凝胶网络动态性对血管组织网络生成的影响及分子机制 ​

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血管是生物体向各个组织器官运输营养和氧气的管道，其网络庞大而复杂，遍布生物体全身【1】。研究细胞外基质或组织的三维力学微环境对血管网络生长的影响规律和机制对理解血管类疾病的发生发展以及提高相应的治疗和干预手段具有重要的临床价值和科学意义【2,3】。

近期研究发现细胞外基质（包括胶原和纤维蛋白等）以及在体组织（如脑、肝脏、骨髓、肌肉和脂肪组织等）具有天然的粘弹性和动态特性，即应力松弛和蠕变性【4,5】。目前，科学界已证实这种动态特性是影响多种细胞伸长、迁移、增殖和分化等细胞形态和行为的一个关键生物力学因素【6,7】。然而，这些研究都集中在单细胞追踪水平，并未上升到基质动态性对组织器官形成所造成的影响。且其在细胞-组织形成过程中所扮演的角色及其背后的一系列分子机制仍不清楚。

近日，西安交通大学生命科学与技术学院魏钊研究员与约翰霍普金斯大学怀挺工学院Sharon Gerecht团队在Cell Stem Cell杂志上发表研究文章Hydrogel Network Dynamics Regulate Vascular Morphogenesis，利用动态共价键所交联的高分子水凝胶模拟在体血管组织基质的动态特性，通过构建体外血管内皮祖细胞（EPCs）三维培养模型，阐明了水凝胶动态特性对EPCs从发泡到血管网络组织生成的影响规律。并揭示了血管组织生成过程中，EPCs对微环境动态性从细胞收缩（contractility）到基质金属蛋白酶（MMP）释放的一整套分子生物学响应路径。挑战了以往研究中将基质动态性与降解性对立起来的观点。同时，通过动物实验也证实，在体血管更易于侵入具有粘弹性的动态水凝胶中。该研究结果从力学生物学和血管组织工程角度为进一步理解血管发生与细胞外基质力学信号的关系提供重要的实验和理论参考，并为治疗血管类疾病提供潜在的药物靶点。

参考文献

1. N. Koike, D. Fukumura, O. Gralla, P. Au, J.S. Schechner, R.K. Jain, Creation of long-lasting blood vessels, Nature 428(6979) (2004) 138-139.

2. P. Carmeliet, Angiogenesis in health and disease, Nature Medicine 9(6) (2003) 653-660.

3. D. Hanjaya-Putra, V. Bose, Y.-I. Shen, J. Yee, S. Khetan, K. Fox-Talbot, C. Steenbergen, J.A. Burdick, S. Gerecht, Controlled activation of morphogenesis to generate a functional human microvasculature in a synthetic matrix, Blood, The Journal of the American Society of Hematology 118(3) (2011) 804-815.

4. Z. Liu, L. Bilston, On the viscoelastic character of liver tissue: experiments and modelling of the linear behaviour, Biorheology 37(3) (2000) 191-201.

5. M. Geerligs, G.W. Peters, P.A. Ackermans, C.W. Oomens, F. Baaijens, Linear viscoelastic behavior of subcutaneous adipose tissue, Biorheology 45(6) (2008) 677-688.

6. O. Chaudhuri, L. Gu, D. Klumpers, M. Darnell, S.A. Bencherif, J.C. Weaver, N. Huebsch, H.-p. Lee, E. Lippens, G.N. Duda, Hydrogels with tunable stress relaxation regulate stem cell fate and activity, Nature Materials 15(3) (2016) 326-334.

7. T.E. Brown, B.J. Carberry, B.T. Worrell, O.Y. Dudaryeva, M.K. McBride, C.N. Bowman, K.S. Anseth, Photopolymerized dynamic hydrogels with tunable viscoelastic properties through thioester exchange, Biomaterials 178 (2018) 496-503.