2020年5篇经典《Nature》水凝胶研究工作回顾!

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      那些顶刊上的水凝胶工作都在研究什么?2020年5篇经典《Nature》水凝胶研究工作回顾!

      【Paper 1】

      细胞微环境的机制通过细胞骨架重塑和肌动球蛋白收缩力连续调节细胞功能,例如生长,存活,凋亡,分化和形态发生。尽管所有这些过程都消耗能量,但尚不清楚细胞是否以及如何使它们的代谢活性适应各种机械提示。2月,美国UT西南医学中心Christoph J.Burckhardt和Gaudenz Danuser教授团队在《Nature》上发表了Mechanical regulation of glycolysis via cytoskeleton architecture的文章。

      他们报道人支气管上皮细胞从硬质基质向软质基质(胶原蛋白水凝胶)的转移通过限速代谢酶磷酸果糖激酶(PFK)的蛋白酶体降解而引起糖酵解下调。PFK降解是由应力纤维的分解触发的,应力纤维的释放释放了靶向PFK的E3泛素连接酶三重基序(TRIM)的蛋白21(TRIM21)。转化后的非小细胞肺癌细胞,无论环境机制如何变化,都能维持较高的糖酵解速率,并通过下调TRIM21以及将残留的TRIM21螯合在对底物刚度不敏感的应力纤维子集上来保留PFK表达。

      数据揭示了糖酵解对肌动球菌细胞骨架的结构特征作出反应的机制,从而将细胞代谢耦合到周围组织的机械特性。这些过程使正常细胞能够在可变的微环境中调节能量产生,而尽管受到肿瘤组织的不断变化,细胞骨架对机械信号的抵抗仍能使高糖酵解速率持续存在于癌细胞中。参考:doi.org/10.1038/s41586-020-1998-1。

      【Paper 2】

      诸如骨头,牙齿和软体动物壳之类的生物材料以其出色的强度,模量和韧性而闻名。这样的性质归因于在延展性有机基质内的无机增强纳米填料,尤其是二维纳米片或纳米片的精细的层状微观结构。受这些生物结构的启发,已经采用了多种组装策略(包括逐层,浇铸,真空过滤和使用磁场)来开发层状纳米复合材料。然而,如何以通用,可行和可扩展的方式生产超强层状纳米复合材料仍然是一个悬而未决的问题。

      4月,Nature杂志发表了Layered nanocomposites by shear-flow-induced alignment of nanosheet北京航空航天大学化学学院刘明杰教授课题组在超强材料方面的最新研究成果“。赵创奇博士、张鹏超博士、周嘉嘉副教授为第一作者。作者提出一种策略,在不混溶的水凝胶/油界面处,利用剪切流诱导的二维纳米片的排列,生产具有高度有序的层状结构的纳米复合材料。例如,基于氧化石墨烯和粘土纳米片的纳米复合材料显示的拉伸强度高达1,215±80兆帕斯卡,杨氏模量为198.8±6.5千兆帕斯卡,分别比天然珍珠母高9.0和2.8倍。珍珠)。当使用粘土纳米片时,所得的纳米复合材料的韧性可以达到每立方米36.7±3.0兆焦耳,是天然珍珠母的20.4倍。同时,抗张强度为1,195±60兆帕。

      定量分析表明,排列良好的纳米片形成了关键的中间相,这导致了观察到的机械性能。我们认为,我们的策略可以很容易地扩展以对齐各种二维纳米填料,可以应用于各种结构复合材料,并导致高性能复合材料的发展。参考:doi.org/10.1038/s41586-020-2161-8。

      【Paper 3】

      在重建手术中已经利用了皮肤响应拉伸而生长的能力。尽管已经在体外研究了表皮细胞对拉伸的反应,但尚不清楚机械力如何影响其在体内的行为。7月,英国剑桥大学Benjamin D.Simons和比利时布鲁塞尔自由大学CédricBlanpain教授团队团队在《Nature》上发表了题为’Mechanisms of stretch-mediated skin expansion at single-cell resolution’一文。

      他们开发了一种小鼠模型,其中可以在单细胞分辨率下研究皮肤表皮拉伸的后果。揭示了皮肤在拉伸时进行扩张的机制,将努力利用这些机制促进伤口愈合或刺激组织扩张。该课题组在小鼠模型的皮肤下注入了一种约会了一种自充气水凝胶来对皮肤进行扩张。这就好比模拟橡皮在外力作用下能够收缩一样,通过将膨胀水凝胶的体积”拉扯”皮肤来增加死亡率。

      结果发现,扩张后的前两天,小鼠的表皮细胞体积增加而细胞密度降低,甚至恢复回落值。这表明皮肤可以感知外界压力,从而导致压力做出适应性的调整。使用将克隆分析与定量建模和单细胞RNA测序相结合的多学科方法,表明拉伸可通过在表皮干细胞的更新活性中产生瞬时偏倚来诱导皮肤扩张,而基础祖细胞的第二个亚群仍致力于分化。转录和染色质分析可以确定如何通过拉伸调节细胞状态和基因调控网络。使用药理抑制剂和小鼠突变体,作者定义了在体内以单细胞分辨率控制拉伸介导的组织扩张的逐步机制。参考:doi.org/10.1038/s41586-020-2555-7。

      【Paper 4】

      在过去的二十年中,大量的研究确定了细胞外基质(ECM)的弹性或刚度会影响细胞的基本过程,包括扩散,生长,增殖,迁移,分化和类器官的形成。线性弹性聚丙烯酰胺水凝胶和涂有ECM蛋白的聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性体被广泛用于评估刚度的作用,这种实验的结果通常被认为可再现体内细胞经历的机械环境的影响。但是,组织和ECM并非线性弹性材料,它们表现出更为复杂的机械行为,包括粘弹性(对载荷或变形的时间依赖性响应)以及机械可塑性和非线性弹性。

      8月,斯坦福大学Ovijit Chaudhuri,昆士兰大学Justin Cooper-White,宾夕法尼亚大学Paul A.Janmey、Vivek B.Shenoy,哈佛大学David J.Mooney五位细胞力学和生物材料专家大佬合作在《Nature》上发布了题为“Effects of extracellular matrix viscoelasticity on cellular behaviour”的综述文章,他们回顾了组织和ECM的复杂力学行为,讨论了ECM粘弹性对细胞的影响,并描述了粘弹性生物材料在再生医学中的潜在用途。

      最近的工作表明,基质粘弹性调节这些相同的基本细胞过程,并且可以促进在二维和三维培养微环境中用弹性水凝胶观察不到的行为。这些发现提供了对细胞-基质相互作用以及这些相互作用如何差异调节细胞中机械敏感分子途径的见解。此外,这些结果提出了下一代生物材料的设计指南,其目标是使组织和ECM力学相匹配,以用于体外组织模型及其在再生医学中的应用。参考:doi.org/10.1038/s41586-020-2612-2。

      【Paper 5】

      9月,瑞士洛桑联邦理工学院Matthias P.Lutolf教授团队在《Nature》上发表了题为“Homeostaticmini-intestines through scaffold-guided organoid morphogenesis”的论文。该文论述了通过支架引导产生类器官形态发生,实现迷你小肠的构建。为了使肠类器官塑造出其特有的隐窝和绒毛结构的形态。

      作者制备了一种支架,该支架可渗透气体,营养物和大分子,从而促进肠道干细胞(ISC)的有效粘附,增殖和分化。并且该支架足够坚硬,可以用作将ISC的增长限制为预定形状的物理障碍。之后在小鼠模型上进行验证,作者将水凝胶(I型胶原和基质凝胶)合成物整合到一个可灌注的平台上,以生成一个混合微芯片系统,该系统由一个弹性设备组成,该设备带有一个用于水凝胶装载和随后的类器官培养的中心腔,两侧是一对(入口和出口)储器,用于细胞装载和腔内灌注,以及通过水凝胶为组织的基底侧提供介质和生长因子。参考:doi.org/10.1038/s41586-020-2724-8

      来源:水凝胶公众号

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