摘要：在现代医学研究中，类器官技术正逐渐成为探索人体奥秘和攻克疾病难题的前沿工具。类器官能够高度模拟真实器官的结构和功能，为科学家们提供了一个独特的平台，用于研究细胞行为、疾病机制以及测试新药的效果。然而，但如何使类器官更好地模拟体内复杂的微环境，尤其是机械特性，仍

在现代医学研究中，类器官技术正逐渐成为探索人体奥秘和攻克疾病难题的前沿工具。类器官能够高度模拟真实器官的结构和功能，为科学家们提供了一个独特的平台，用于研究细胞行为、疾病机制以及测试新药的效果。然而，但如何使类器官更好地模拟体内复杂的微环境，尤其是机械特性，仍然是一个挑战。

传统培基质如基质胶（Matrigel），虽然广泛使用，但其成分复杂，难以精确调控。如今，水凝胶作为一种新型材料，凭借其可调节的硬度和粘弹性，为类器官培养带来了新的突破。科学家们正在探索如何通过调整水凝胶的机械特性，来优化类器官的生长和分化，从而更精准地模拟人体内的生理和病理过程。今天，就让我们一起走进这一前沿领域，探索水凝胶如何为类器官技术注入新的活力。

文章介绍

题目：水凝胶硬度和粘弹性对类器官培养的影响

杂志：Molecular Medicine

影响因子：IF=6.0

发表时间：2025年3月

#1

研究背景

Background

类器官技术在疾病研究和转化应用中展现出巨大潜力，能够模拟体内组织的结构与功能，为细胞行为、疾病机制和药物筛选提供了新平台。然而，目前类器官培养多依赖成分不明的基质（如Matrigel），尽管Matrigel具有良好的生物相容性和细胞生长支持能力，但其复杂成分使得机械特性调控困难。此外，传统2D细胞培养模型无法完全模拟体内3D微环境，而患者来源的异种移植模型虽保留肿瘤异质性，但生长缓慢、寿命有限，应用受限。

本综述总结了近年来具有明确成分的水凝胶支架的合成进展，识别了调节机械特性（如硬度和粘弹性）的关键参数。水凝胶的可调节机械特性使其能够更好地模拟体内微环境，为类器官的发育和分化提供更精确的调控。

本文还探讨了水凝胶在多种类器官（如肠道、肝脏、肾脏、骨骼和软骨）培养中的应用，并分析了硬度和粘弹性对类器官发育的影响。通过这些研究，我们希望为类器官的进一步研究提供新思路和方法，推动其在疾病模型建立和药物筛选中的应用。

#2

研究结果

Results

1. 硬度可调水凝胶在类器官中的应用

既往研究表明，细胞外基质（ECM）的刚度和降解通过TGF-β和MMP途径促进癌细胞增殖和侵袭。水凝胶是一种高含水量的三维多孔材料，因其与天然ECM的生物相容性和结构相似性，适合用于工程细胞微环境。在Matrigel出现之前，水凝胶主要因其生物无毒性和可调节的机械性能而被关注。本部分总结了可控水凝胶的合成及其在可调节刚度类器官中的应用（图1）。

图1

1.1 具有可调节刚度的水凝胶的分类

1.1.1 来源

天然水凝胶由蛋白质和多糖组成，与组织形成、细胞生长和表型维持高度相容，但机械性能较差且降解性不可控。Curvello等人通过结合两种天然水凝胶开发了一种新的交联方法，增加了材料的刚度和耐压性。合成水凝胶可通过聚合、交联和功能化在分子水平上操作，其刚度范围广（2 Pa-55 kPa），适用于类器官培养。近年来，结合天然和合成水凝胶特性的复合水凝胶被开发出来，已用于肠道类器官的开发。

1.1.2 交联法

水凝胶因其独特的空间动力学和力学特性，成为类器官研究中的重要材料。根据交联方法，水凝胶可分为物理凝胶和化学凝胶，前者具有动态特性，后者通过共价键形成稳定结构。例如，Gan等人利用胆固醇修饰的microRNA增强干细胞分化，而Stengelin等人通过结合聚乙二醇和透明质酸形成骨髓类器官，优化了水凝胶的物理和生物特性。这些研究突出了水凝胶在类器官研究中的多功能性和潜力。

1.1.3 可控力学性能

水凝胶分为常规水凝胶和可控水凝胶，后者可通过多种方法调节力学性能。例如，PEG基水凝胶的刚度可通过调整PEG浓度改变，PEG浓度为2.5%、4.5%和6.5%时，硬度分别为0.5 kPa、3 kPa和5.5 kPa。同样，PEG与氯乙酰氯（PEGdA）反应可得到不同硬度的水凝胶。此外，通过改变光引发剂类型，还可调节PEGdA水凝胶的刚度，这种硬度范围已用于开发肝类器官。

近年来，一种新型水凝胶通过四官能化PEG-DBCO和硫烯丙基双叠氮交联，可在365 nm光降解下产生500 Pa-1.3 kPa的软条件范围，适用于肠道类器官研究。除了PEG水凝胶，PAA水凝胶的硬度也可通过改变丙烯酰胺和双丙烯酰胺浓度调节，其刚度范围从2 Pa-55 kPa，适用于大多数类器官。

明胶基水凝胶的硬度可通过调节甲基丙烯酸酯程度改变，而胶原基水凝胶的刚度可通过改变纳米晶纤维浓度实现不同硬度。开发具有可调节刚度的水凝胶为类器官研究提供了重要工具，但仍面临材料污染等挑战。

1.2 利用可调节硬度的水凝胶影响类器官发育

在过去的几十年中，Matrigel作为体外细胞生长的“金标准”支架被广泛应用于类器官研究，但由于其成分复杂，难以研究ECM刚度对类器官行为的影响。近年来，研究者开始关注可调节刚度的水凝胶，这类新材料为研究提供了更多可能性（图2）。

图2

1.2.1 肠道类器官

研究表明，肠道类器官的微环境刚度对其行为有显著影响。例如，底物刚度的增加会导致干细胞室的大小和干细胞数量减少，影响隐窝折叠。在1.3 kPa刚度下，肠道干细胞的扩张和增殖能力较差。不同发育阶段对刚度的需求不同，1.3 kPa刚度最适合菌落存活，而0.2 kPa的软基质更适合隐窝形成。

YAP/Notch信号通路在肠道干细胞分化中起关键作用，刚度增加会促进YAP的核易位，导致干细胞分化为杯状细胞，可能促进疾病发展。因此，未来研究应探索不同力学环境下YAP/Notch信号的变化，以更好地理解类器官对基质力学的依赖。

1.2.2 肝脏类器官

肝脏特异性ECM可从受损或非移植人类肝脏中提取。Lin等人开发的去细胞化方法虽能支持大鼠肝细胞生长，但会破坏器官结构和血管网络。Jorke等人则开发了一种新型ECM衍生水凝胶，对基因和蛋白质表达影响小，且无物种特异性，其力学性能可调节以匹配肝脏生理硬度。Sorrentino等人比较了PEG基水凝胶与Matrigel，发现PEG基水凝胶可支持肝类器官的长期培养，并有效分化为肝细胞样细胞。

研究表明，基质刚度对肝类器官生长具有机械敏感性，生理刚度（1.3 kPa）最适合肝类器官形成，过高或过低的刚度会损害其形成。此外，肝脏硬度的变化可作为肝病患者死亡风险的预测指标，TGF-β/Smad信号通路的激活会导致肝脏硬度增加（图3）。

图3

1.2.3 肾脏类器官

正常肾脏由数百万个肾单位组成，每个肾单位包括肾小球、肾小管和集合管。寻找能够影响干细胞分化的材料对培养肾类器官至关重要。具有可调节机械特性的水凝胶可以模拟ECM，并影响细胞反应和分化。

Garreta等人研究发现，与硬水凝胶（60 kPa）相比，软水凝胶（1 kPa）更有利于多能干细胞分化为肾类器官，表现为肾脏相关基因表达增强，这可能与YAP信号的核定位减少有关。柔软环境更接近胚胎发育早期阶段，因此软水凝胶更适合作为肾类器官培养的底物。

1.2.4 骨类器官和软骨类器官

间充质干细胞（MSC）在柔性基质中倾向于分化为脂肪细胞，而在刚性基质中则分化为成骨细胞。Bi等人开发的水凝胶体系通过聚酰胺胺（PAMAM）树状大分子和多臂硫酸酯PEG精确控制刚度，发现MSC在5663 Pa的刚性水凝胶上发生成骨分化，而在77 Pa的柔性水凝胶上发生成脂分化。

Darnell等人的研究进一步揭示了基质刚性对MSC转录组的非线性影响，并发现刚性通过激活MAPK和ERK途径影响成骨分化。此外，高分子量水凝胶可诱导MSC向软骨分化，而DNA-丝蛋白（DNA-SF）水凝胶在30 kPa时最有利于MSC分化为软骨细胞，这可能与其上调Wnt和TGF-β信号通路有关（图4）。

图4

1.2.5 人类神经管类器官

先前研究已确定机械力在神经调节中起重要作用，但神经组织如何整合机械线索以协调命运规范、生长和形态发生尚不清楚。最近，Abdel Fattah等研究了水凝胶刚度对神经管形成的影响，发现中等刚度（2 kPa）的水凝胶能改善底板图案效率和拉伸后的尺寸增加，而软（0.7 kPa）或硬（8 kPa）水凝胶中未观察到此现象。这可能是由于类器官生长压缩了邻近基质，而基质阻力抵消了类器官生长。因此，中刚度水凝胶可用于研究神经管类器官的底板图案和尺寸因素。

1.2.6 小脑类器官

近年来，小脑类器官的研究相对有限，但已有研究探讨了硬度对其发育的影响。Balion等人的研究发现，61.2 kPa刚度的水凝胶比80.1 kPa的水凝胶更有利于小脑类器官的生长，表现为生长速度更快、发育更有效。这些水凝胶的刚度在脑组织测量范围内，且远低于聚苯乙烯的刚度。这表明较低的硬度可能对小脑类器官的最佳生长更有利，但仍需进一步研究以确定理想的培养条件。

1.3 硬度可调水凝胶在肿瘤类器官中的应用

肿瘤的生长和转移受其微环境的显著影响，其中ECM通过提供机械支持、微环境调节和信号分子来源，促进肿瘤生长。为了研究肿瘤微环境对肿瘤发展的影响，可以通过调节合成材料的生化和生物物理性质来操纵底物刚度和ECM组成。水凝胶作为一种广泛使用的材料，在肿瘤类器官中的应用尚未得到充分研究（图5）。

图5

1.3.1 乳腺癌类器官

研究表明，基质刚度对乳腺癌的发展和迁移至关重要。肿瘤细胞可通过改变ECM硬度影响药物治疗效果。在3D细胞培养中，低刚度水凝胶（0.5 kPa）对肿瘤类器官的抑制作用显著低于高刚度水凝胶（1.5 kPa），这可能与刚度抑制脂肪生成有关。

此外，低刚度水凝胶中的乳腺类器官在紫杉醇处理下仅表现出适度的代谢活性降低，而高刚度水凝胶中的肿瘤细胞凋亡水平显著降低。这些结果表明，刚度不仅影响肿瘤生长，还对药物治疗效果有重要影响。利用可调节刚度的水凝胶研究肿瘤药物治疗可能是未来研究的重点。

1.3.2 结直肠癌类器官

患者来源的癌症细胞或组织模型是癌症生物学研究的重要工具。2019年，Ng等人首次将患者来源的细胞用于3D细胞模型研究结直肠癌，通过在不同刚度的水凝胶中培养类器官，发现14.6 kPa的水凝胶中类器官生长更大，而2.6 kPa的水凝胶中类器官表现更好或同样好。这表明2.6 kPa刚度的水凝胶可能是培养患者来源细胞的理想环境。

尽管目前可调节刚度的水凝胶在某些类器官中已得到应用，但其在心脏、肺和骨肉瘤类器官中的研究仍不成熟。未来研究需进一步探索刚度影响类器官行为的具体机制，并拓展其应用范围。

2. 粘弹性可调水凝胶在类器官中的应用

ECM的机械特性在发育和病理过程中会变化。粘弹性材料表现出随时间变化的变形，这种变形在力的作用下不可逆。尽管相关研究有限，但合成粘弹性水凝胶为未来研究提供了新方向。最近的研究表明，粘弹性影响细胞迁移、分化和转录因子活性。由于目前粘弹性水凝胶在类器官中的应用较少，研究者整理了其在类器官研究中的现有应用（图6）。

图6

2.1 水凝胶的合成

2.1.1 海藻酸盐水凝胶

海藻酸盐是一种从褐藻和转基因细菌中提取的海洋多糖，具有用于骨组织工程的潜力，但其力学性能较差。为改善这一问题，研究人员通过添加功能纳米颗粒和其他天然或人工生物材料复合，显著提高了海藻酸盐水凝胶的机械强度和骨再生能力。此外，通过调节海藻酸盐链的分子量和钙离子浓度，可以优化其性能。海藻酸盐水凝胶还具有自我修复能力，可在超声波触发的网络破坏后恢复，进一步扩展了其在骨组织工程中的应用前景。

2.1.2 肝源性水凝胶（LEM凝胶）

天然来源的水凝胶虽已开发，但用于体外类器官开发的较少。脱细胞细胞外基质（dECM）水凝胶显示出应用前景，其制备方法自1975年首次报道后不断发展。dECM水凝胶的开发需考虑细胞类型、组织密度等因素。

目前，已开发出多种dECM水凝胶，用于胃肠道类器官和心脏微环境模拟等。蛋白质组学分析对鉴定dECM成分至关重要。在类器官培养中，需考虑组织来源、物种和脱细胞方案。从羊肝脏提取的水凝胶已开发，但实现稳定的粘弹性仍是挑战，需进一步研究以扩大其应用。

2.2 利用可调粘弹性水凝胶影响类器官发育

2.2.1 肝脏类器官

随着肝硬化和肝细胞癌（HCC）患病率的上升，研究者利用肝类器官研究不同粘弹性对肝脏发育的影响。研究表明，粘弹性可影响类器官的发育和基因表达。例如，低粘性水凝胶（78.3）限制了肝类器官的生长和融合，而高粘性水凝胶（202.9）则促进类器官生长。

Rizwan等人发现粘弹性缺口信号水凝胶可诱导肝胆管类器官的生长和形态发生。此外，2型糖尿病中AGE积累导致的ECM粘弹性增加，通过整合素-β1-紧张素-1-YAP途径促进HCC细胞增殖和侵袭。因此，肝类器官的发育应采用约2.3~5.9 kPa的粘弹性，较低的粘弹性更有利于其发育。

2.2.2 hiPSC类器官

尽管已有大量研究利用人类多能干细胞（hiPSC）开发胚胎发育模型，但粘弹性对hiPSC形成的影响却鲜有关注。Indana等人研究了基质粘弹性在hiPSC形成管腔中的作用。结果显示，两种模量的凝胶在细胞存活率、团簇大小、DNA水平（增殖率）和细胞凋亡方面均无显著差异，表明粘弹性不影响hiPSC的活力、凋亡、增殖、多能性或管腔形成。然而，基质粘弹性被认为是培养系统中管腔形成的关键调节因子，其具体机制尚需进一步研究。

2.2.3 骨类器官

粘弹性在细胞-基质重建中起重要作用，对骨髓间充质干细胞（BMSC）的功能，包括扩散、增殖和分化有重要影响。海藻酸盐水凝胶被用于研究粘弹性对细胞增殖和成骨分化的影响。研究表明，粘弹性水凝胶比弹性水凝胶更能促进MSC球体的钙沉积和成骨分化。在严重骨缺损模型中，粘弹性水凝胶表现出更高的骨形成能力。这些发现为粘弹性水凝胶在骨组织工程中的应用提供了希望。

3. 应用

可调节刚度或粘弹性的水凝胶在再生医学中具有潜在应用价值，可用于细胞和药物递送、组织移植以及基因表达调控。这些水凝胶中的类器官能够模仿体内外的形态和功能，为疾病研究和药物发现提供了新的平台。近年来，研究聚焦于探索ECM促进癌症的具体机制，但ECM成分的不确定性增加了研究难度。

可调节力学性能的水凝胶有助于深入研究这些机制。此外，组织的力学特性，包括硬度和粘弹性，对细胞行为（如分化）有显著影响。例如，肠道类器官在不同硬度下表现出不同的结构形成倾向，而MSC在快速松弛的水凝胶中表现出更高的扩散、增殖和成骨分化能力，这表明细胞对应力松弛的敏感性可能超过对刚度的敏感性。

4. 挑战与展望

为了深入理解ECM力学性能变化对细胞行为的影响，需要克服多个挑战。尽管刚度对细胞行为和基因表达有显著影响，但其分子机制仍不清楚。类器官培养的效率和水凝胶的纯度是关键问题，且需要改进方法以实现高通量测定，减少时间和成本。其他力学性能（如延展性和韧性）对细胞行为的影响尚不清楚，现有研究方法需要进一步改进。

类器官与水凝胶共培养的进展仍需探索，且类器官生物库的伦理意义需要进一步考虑。合成水凝胶作为类器官培养基质存在缺点，如需要添加生物粘合剂，且降解可能导致细胞毒性。类器官技术自十多年前发展以来，在细胞和发育生物学以及临床前癌症研究中取得了突破，提供了新的实验模型和抗癌药物测试的可能性。类器官技术可模拟肿瘤发育全过程，通过机械调控驱动细胞分化，为研究致病基因突变和药物筛选提供了新平台。

结论

本综述探讨了水凝胶的硬度和粘弹性对类器官培养的影响。类器官是模拟人体器官功能的微型模型，对研究疾病和测试药物有重要作用。传统培养基质如Matrigel成分复杂，难以精确调控机械特性。而水凝胶作为一种新型材料，可以通过调整成分来改变硬度和粘弹性，更好地模拟体内环境。

研究发现，不同的硬度和粘弹性对类器官的生长和分化有显著影响。例如，肠道类器官在1.3 kPa的水凝胶中生长最佳，而肝脏类器官在1.3 kPa的水凝胶中分化效率最高。此外，粘弹性也对类器官的发育有重要影响，高粘弹性水凝胶能促进肝脏类器官的生长。这些发现为类器官研究提供了新的工具，有助于更精确地模拟体内微环境，推动疾病模型建立和药物筛选。未来，科学家们将继续探索水凝胶在不同组织和疾病模型中的应用，开发更多具有特定机械特性的水凝胶，以满足不同的研究需求。

参考文献

Lai W, Geliang H, Bin X, Wang W. Effects of hydrogel stiffness and viscoelasticity on organoid culture: a comprehensive review. Mol Med. 2025 Mar 3;31(1):83. doi: 10.1186/s10020-025-01131-7.

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