Cell Stem Cell：水凝胶网络动力学调节血管形态发生

基质动力学会影响单个细胞发展成为复杂多细胞组织。但是，人们对基质动力学调控组织组装的机制知之甚少。水凝胶由于与细胞外基质十分相似的特点，常被用来模拟3D生理组织基质。那么，动态水凝胶是如何影响组织形成的呢？

近期，美国霍普金斯大学的SharonGerecht教授团队在Cell Stem Cell上发表题为“Hydrogel Network Dynamics Regulate Vascular Morphogenesis”的研究论文。研究人员通过动态共价交联构建了一个粘弹性水凝胶系统，确定了动态网络基质的作用及其调控血管组织形态发生的潜在机制（图1）：动态水凝胶网络通过增强细胞收缩性使整合素聚集，招募黏着斑蛋白和促进大块黏着斑形成，从而快速生成血管网络；而静态水凝胶阻止整合素聚类及血管床的生成和发展。

图1 基质动力学调节血管组织形成机制 首先，研究人员介绍了粘弹性水凝胶系统的设计与表征。使用明胶和右旋糖酐组成的水凝胶，其中明胶为主成分；动态共价键亚胺和酰基腙形成动态网络水凝胶(D-水凝胶)，对照组为静态共价键甲基丙烯酸酯(MAs)形成的静态水凝胶(N-水凝胶)。研究人员不仅通过控制交联条件控制水凝胶的刚度，还分别评估了加培养基培养前后不同水凝胶的模量、应力松弛曲线等（图2）。

图2 动态网络水凝胶(D-水凝胶)与非动态网络水凝胶(N-水凝胶)的设计与表征 接着,从以下五个方面论证了动态网络的作用以及调控血管组织形态发生的机制。

• 动态网络水凝胶促进快速形成血管形态。采用人内皮集落形成细胞和软水凝胶（~200pa）。在排除了网络营养传输、细胞毒性等影响因素的干扰，证明了动态水凝胶网络可以更快促进血管组织形成（图3）。
• 动态网络水凝胶促进黏着斑蛋白（FA）形成和整合素聚集。水凝胶网络对细胞萌发和分枝的作用是形成粘性组织结构的关键。研究人员证明D-水凝胶网络更易变形，牵引力更强，其封装的细胞对基质的牵引力也更大，从而促进了整合素与水凝胶网络的相互作用，进而促进了整合素的聚集。而整合素β1聚集促进黏着斑蛋白的招募进而形成稳定的黏着斑。
• 水凝胶网络松弛是收缩介导的整合素聚集和随后血管形成的必需条件。在小FAs初步形成后，通过pMLC介导的肌动蛋白收缩的细胞收缩性促进整合素聚集、FAs募集，随后激活下游信号事件，从而促进下游信号和血管形态发生。然而，非动态水凝胶阻止肌球蛋白介导的整合素聚集，因此，导致了无效的发芽和血管形成。
• 动态网络导致FA激酶(FAK)的激活、MMP表达的上调和新的ECM沉积。D-水凝胶网络支持包封的ECFCs中FAs和FAK磷酸化的形成以及激活；D-水凝胶环境可以促进ECFCs中MMPs的表达，从而促进基质重塑和降解，允许细胞侵入周围环境并建立血管组织。
• FAK的激活调节整合素的聚集、细胞收缩性和随后血管床的形成。FAK在维持和调节FA稳定性中起重要作用。此外，FAK激活会促进MLC磷酸化和调节整合素表达促进整合素聚集以及FAK参与整合素介导的下游信号传导，导致各种MMPs的上调，从而使血管形态发生细胞发芽、分枝和细胞迁移。

图3 具有动态和非动态网络的水凝胶对内皮集落形成细胞的血管形成有不同的调节作用

图4 动态网络水凝胶促进FA形成

图5 细胞收缩介导整合素聚集和血管形成

图6 动态网络通过增加MMP表达和ECM沉积导致FAK激活和基质降解

图7 ECFCs中的FAK激活是D -水凝胶重塑和血管形态形成所必需的条件 最后，研究了动态网络的体内血管生成机制和血管生成效应。体内实验发现与体外实验结果一致：动态水凝胶比静态水凝胶的细胞密度更高，萌发和分支细胞更多；动态水凝胶网络降解更快、血管生成更多。此外，动态水凝胶不仅促进体内血管的快速生成还促进宿主血管再生和循环（图8）。

图8 动态网络加速体内血管生成及提出了ECFCs响应动态网络的分子途径 综上所述，基质动力学是血管组织组装的关键。此项研究不仅有助于我们理解水凝胶网络动力学如何影响血管形态发生，还可以用于研究复杂组织组装、形态发生以及用于相关临床治疗方法的生物水凝胶材料系统的设计。