《Small》：Photodegradable Hydrogels for On-Demand Modeling of Age-Related Spatiotemporal ECM Deformation
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本文开发了一种基于聚乙二醇(PEG)的光可降解水凝胶平台，能够按需、精确地模拟年龄相关的细胞外基质(ECM)形貌改变，特别是模拟视网膜衰老过程中出现的玻璃膜疣(drusen)。该系统成功应用于研究人工玻璃膜疣尺寸对干细胞源性视网膜色素上皮(RPE)的影响，发现不同尺寸的变形会引起RPE单层厚度、细胞形态和牵引力的差异化适应。该技术为在生理相关力学和长度尺度上研究动态细胞-基质相互作用的机械生物学机制提供了一个强大而通用的工具。
细胞外基质(ECM)不仅是支撑组织结构的支架，更通过提供动态变化的生物化学、拓扑学和物理力学信号，在组织发育、稳态和衰老过程中扮演关键调节者的角色。因此，在实验室中，于相关的力学和空间尺度上模拟这些动态变化，对于克服组织工程的挑战和解答基础生物学问题至关重要。然而，在视觉研究中，一直缺乏合适的体外模型系统来研究ECM动态。为了填补这一空白，本研究开发了一种易于使用的、基于聚乙二醇(PEG)的光敏水凝胶。
这种光可降解水凝胶的工程核心在于合成了一种含有光降解交联剂(PDC)的网络。PDC包含线性PEG核心、作为光裂解基团的邻硝基苯基和丙烯酸酯末端基团。通过自由基聚合将其与非降解性PEG组分交联形成水凝胶。当受到近紫外光（波长约275-405 nm）照射时，PDC中的邻硝基苯基发生光解，导致交联密度局部降低，进而引起水凝胶网络膨胀，在表面形成可控的凸起。
令人惊讶的是，纳米压痕测量显示，尽管局部膨胀导致了显著的形貌变化，但膨胀区域的有效杨氏模量与未照射区域以及非降解性对照PEG水凝胶相比，并无显著差异。这可能是由于肿胀主要由渗透性流体吸收和宏观网络扩张主导，而微观尺度测量的弹性模量则由聚合物缠结和交联密度设定的平衡渗透压决定。因此，该平台实现了在保持基质硬度不变的条件下，可控地诱导基底形貌变化。
为了使水凝胶支持细胞粘附和生物活性，研究团队开发了一种不依赖紫外光的生物功能化方案。通过在聚合网络中引入2-氨基乙基甲基丙烯酰胺(AEMA)，获得游离的胺基，随后通过胺-环氧开环反应与甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)反应，在凝胶表面引入新的丙烯酸酯基团。这些基团可进一步通过自由基聚合反应，在表面构建短的胺反应性聚合物链，最终实现基底膜蛋白（如层粘连蛋白和IV型胶原蛋白）的功能化涂层，支持细胞粘附和成熟。
为展示该系统的应用潜力，研究以干细胞源性视网膜色素上皮(RPE)为模型，探究了基底形貌变形（模拟玻璃膜疣）对RPE的影响。干细胞源性RPE能在硬度为4 kPa、涂有基底膜蛋白的光降解水凝胶上形成连续的单层，这模拟了成人布鲁赫膜的生物化学和力学特性。通过照射形成直径100 μm或300 μm的局部凸起，分别模拟了中型和大型玻璃膜疣。
研究发现，照射引起的肿胀在数小时内达到平台期，且UV照射和变形并未显著影响细胞极性（Ezrin染色显示）或肌动蛋白骨架组织。然而，对单层厚度的定量分析揭示了有趣的尺寸依赖性适应。对于100 μm的人工玻璃膜疣，其顶部和边缘区域的RPE单层厚度相比外部区域和对照样品分别增加了约5%和3%。相反，对于300 μm的大型人工玻璃膜疣，其顶部区域的单层厚度反而减少了约5%，边缘区域则与外部区域无差异。这表明中型玻璃膜疣可能“放松”了RPE单层，而大型玻璃膜疣则在顶部区域“拉伸”了单层。
在细胞尺度上，尽管平均细胞面积和形状因子在各条件下无显著差异，表明单层仍处于稳态的“堵塞”状态，但细胞面积的频率分布揭示了细微变化。100 μm人工玻璃膜疣顶部的细胞面积呈现双峰分布，而300 μm的则更偏向单峰分布，这可能意味着不同尺寸的变形以不同方式扰乱了原有的力学平衡。
细胞取向分析进一步支持了这一观点。细胞取向被量化为相对于玻璃膜疣中心的角度（0°表示朝向中心，90°表示垂直）。结果显示，在100 μm人工玻璃膜疣的边缘区域，RPE细胞出现了显著的环形取向，形成了一个将内部顶部区域与外部区域分隔开的环。而在300 μm人工玻璃膜疣上，这种边缘响应较弱，但顶部区域的细胞有朝向中心排列的趋势。
牵引力显微镜分析量化了RPE细胞对基底的粘附强度。与外部区域相比，RPE细胞在100 μm和300 μm人工玻璃膜疣的顶部和边缘区域均表现出整体牵引力下降。然而，中位牵引力分析揭示了更精细的模式：在100 μm玻璃膜疣上，边缘区域的牵引力中值显著更高；而在300 μm玻璃膜疣上，顶部区域的牵引力中值降低，边缘区域保持稳定。这表明，尽管两种尺寸都降低了整体牵引，但只有100 μm的玻璃膜疣在边缘区域引发了独特的力学响应，暗示了单层在顶部和周围区域之间存在不连续性。
综上所述，本研究成功优化并应用了一种光可降解水凝胶平台，能够在保持相关基质硬度的前提下，按需、动态地模拟ECM形变，如年龄相关性玻璃膜疣。研究发现，RPE单层对不同尺寸ECM凸起的适应反应存在差异：中型（100 μm）变形诱导了细胞重排，形成边缘“保护环”，可能缓解机械应力；而大型（300 μm）变形则可能导致单层拉伸变薄，产生更高的机械应力。这些发现为理解玻璃膜疣尺寸如何影响RPE表型转换及年龄相关性黄斑变性(AMD)的病理机制提供了新的机械生物学见解。该平台因其可调的材料属性、生物功能化方案以及对时空变形的高度可控性，有望广泛应用于研究多种组织发育、衰老及相关疾病的动态细胞-基质相互作用。
