科學家如何利用水凝膠技術加速人類健康研究?

本文中，小編整理了多篇重要研究成果，共同解讀科學家如何利用水凝膠技術加速人類健康研究？與大家一起學習！

圖片來源：Jae-Won Shin and Sing Wan Wong

【1】Adv Sci：一種水凝膠沉積技術或能成功「誘騙」幹細胞轉化為特殊的機體細胞

doi：10.1002/advs.202001066

近日，一項刊登在國際雜誌Advanced Science上的研究報告中，來自芝加哥伊利諾伊大學等機構的科學家們通過研究開發了一種特殊的方法，其或能精準控制水凝膠的沉積，水凝膠由水溶性的聚合物組成，通常在實驗中用於支持細胞用於治療性的目的，同時水凝膠還能模擬細胞外基質，即機體細胞所處的天然環境。

研究者表示，這種能在一分鐘內為單一細胞分裝水凝膠液滴的新技術還能被用來「誘騙」骨髓幹細胞分化成為特殊類型的細胞；同時該技術還是對當前技術的改進，當前很多方法通常會以一種不受控的方式將大量水凝膠與細胞混合，這就會使得細胞與其周圍環境之間進行相互作用而難以進行研究，而新型的水凝膠沉積技術就可以用於治療目的，比如支持用於製造新型組織的幹細胞等。

【2】Science子刊：新型水凝膠可阻止和治療傷口感染

doi：10.1126/scitranslmed.aax6601

在一項新的研究中，來自瑞典隆德大學的研究人員開發出一種基於身體天然肽防禦的新型水凝膠。它經證實可阻止和治療傷口感染。這種新型水凝膠可殺死多重耐藥菌，其中隨著全球抗生素耐藥性的不斷增加，這一問題變得越來越重要。相關研究結果近期發表在Science Translational Medicine期刊上。

研究者表示，從進化的角度來看，有效治癒傷口的能力是我們生存的關鍵。傷口中存在一些肽，這些肽可以防禦細菌並阻止它們的毒素引起炎症。這種新型水凝膠基於這些自然防禦機制，具有雙重作用---既可以阻止傷口感染也可以治療傷口感染。

【3】Sci Transl Med：華人學者開發納米纖維-水凝膠複合材料促進軟組織再生

doi：10.1126/scitranslmed.aau6210

約翰霍普金斯大學醫學院的一組研究人員已經開發出一種凝膠，這種凝膠注射到實驗動物體內時，可以讓新的軟組織生長從而取代失去的組織。在這項發表於Science Translational Medicine雜誌上的論文中，該小組描述了他們開發這種凝膠的過程，以及它在實驗大鼠和兔子身上的效果。

當一個人因為意外事故、感染或外科手術失去了一大塊軟組織時，外科醫生幾乎沒有辦法誘導身體再生缺失的組織，這將讓病人不斷想起自己失去的東西。在這項新的研究中，研究人員開發了一種新的凝膠，有望成為軟組織再生工具。為了製作這種凝膠，研究小組使用一種已知的易於生物降解的聚合物來製造納米纖維，這種材料已經在實際的醫療應用中使用了好幾年。接下來，研究人員對納米纖維進行了處理，使其中一些纖維能夠與透明質酸結合——在實際的醫療應用中醫生也在使用透明質酸——在這種情況下，納米纖維可以形成凝膠，促進巨噬細胞的滲透，從而導致人體生成血管。研究人員因此獲得了一種容易注射的凝膠，可以作為支架，也可以促進失去的軟組織再生。

【4】Biomaterials：水凝膠不添加藥物也可促進癒合

來自萊斯大學的研究人員發現了一個有趣的現象。他們一直在研究通過水凝膠建立藥物遞送系統，但是，他們驚奇的發現即使沒有裝載額外的藥物，水凝膠對創傷癒合也有著很好的幫助。研究小組在雜誌Biomaterials上發表了文章，對這種特殊的水凝膠進行了介紹。其中含有的胺基酸序列K2(SL)6K2的自組裝多域肽（MDP），確實具有生物活性。這種水凝膠被注射到組織中，可以提供給新生細胞一個成長的環境，身體在數周內逐步將之清除。

Jeffrey Hartgerink博士是萊斯大學化學和生物工程的研究人員，他發現了所開發的這種原計劃用於藥物遞送的合成支架本身對新組織中細胞和血管的生長都有很好的幫助。有一次Hartgerink和他的團隊成員開始著手研究這個現象，他們發現即使沒有添加物，他們的MDP也可以很快地被宿主細胞浸潤，引起暫時性炎症反應，不形成纖維囊，支持成熟血管網的浸潤並重建神經纖維。「我們驚訝地發現這個我們此前認為是對照的多肽有如此強烈的影響，」Hartgerink 表示，「事實證明，這種肽的固有結構和化學性質儘管非常簡單，但卻導致了強烈的生物反應。」

【5】Biomaterials：緩釋水凝膠或能促進免疫療法藥物有效殺滅癌細胞

doi：10.1016/j.biomaterials.2018.01.035

日前，一項刊登在國際雜誌Biomaterials上的研究報告中，來自德克薩斯大學健康科學研究中心和萊斯大學的科學家們通過聯合研究開發了一種能嵌入緩釋水凝膠的免疫療法藥物，其或能高效殺滅癌細胞。研究者表示，STINGel能將名為幹擾素基因（STING）激動劑刺激因子的一類免疫療法藥物同一種可注射的凝膠進行結合，隨後就能均衡的劑量釋放藥物來激活免疫系統殺滅癌細胞。在臨床試驗中，免疫療法藥物能夠表現出強大的抗癌能力，同時研究結果還表明，這種藥物能被機體快速代謝，目前的試驗中研究人員需要進行多次注射。

這種緩釋肽類凝膠能夠長期持續將免疫療法藥物運輸至腫瘤特定部位發揮作用，研究者Hartgerink就是開發自組裝多域肽類（MDP）水凝膠的先驅科學家，這種水凝膠能夠模擬機體細胞外基質來促進組織修復過程中的細胞生長及脈管功能的恢復，其能以液體的形式注射，隨後在體內轉化成為半固體，並隨著時間緩慢降解；本文中研究人員使用的水凝膠與細胞非常相適，但當入侵者是癌細胞時就會產生麻煩，名為循環二核苷酸（CDNs）的免疫療法藥物就會在水凝膠中等待癌細胞並將其殺滅，因此，水凝膠中CDN的濃度非常重要。

【6】Cell：「水凝膠」態蛋白質幫助細胞響應刺激

當細胞受到外界環境的刺激（如加熱、飢餓）時，細胞內的蛋白質和 RNA 分子會相互聚集，形成團塊。長期以來，這些團塊被認為是細胞損傷的標誌，是有害的功能失調的分子，因而是需要被細胞清除掉的。例如，在阿爾茨海默氏病、帕金森氏病和肌萎縮性側索硬化（ALS）等神經退行性疾病的患者大腦中，我們都能觀察到聚集成團的蛋白質累積在垂死的神經元內。近日，芝加哥大學的研究人員在Cell發文稱他們發現，在出芽酵母中存在一種名為 poly（A）結合蛋白（Pab1）的蛋白質分子能夠通過形成團塊來響應外界刺激，幫助細胞渡過難關。

這項研究中，研究人員試圖把 Pab1 團塊分離出來。在顯微鏡下，那些團塊看起來像圓形的水滴，與其說是團塊，倒不如說是水凝膠，質地有點像果凍或是牙膏。最重要的是，當研究人員在活細胞中幹擾這種水凝膠的形成時，這些細胞就失去了應對外界刺激的能力。也就是說，Pab1 水凝膠的形成，非但沒有損害細胞的正常功能，還增強了細胞的適應性。

【7】Nature：利用一種新的水凝膠在體外培養類器官

doi：10.1038/nature20168

在一項新的研究中，來自瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）的研究人員開發出一種培養微型化身體器官的水凝膠，所培養出的微型化身體器官能夠用於臨床診斷和藥物開發之中。類器官（organoid）是能夠在實驗室中利用人的幹細胞培養出的微型器官。它們能夠被用來構建疾病模型，而且在未來可能被用來測試藥物或者甚至替換病人體內受損的組織。但是當前的類器官在一種標準化的可控方法中非常難以培養，其中這種方法是設計和使用它們的關鍵。如今，EPFL研究人員通過開發出一種正在申請專利的「水凝膠」而解決了這個問題，其中這種水凝膠提供一種完全可控的和可調整的方法來培養類器官，這一突破性發現發表在Nature期刊上。

培養類器官是利用幹細胞---它們能夠分化為人體中任何一種細胞類型的未成熟細胞，而且在組織功能和再生中發揮著關鍵作用---開展的。為了培養一種類器官，這些幹細胞在三維水凝膠---含有促進幹細胞更新和分化的生物分子混合物---內部進行培養。

【8】Biomacromolecules：開發出可輕鬆運輸藥物至患處的新型水凝膠樣結構

doi：10.1021/acs.biomac.6b00309

近日，來自萊斯大學的生物工程師通過研究開發了一種具有牙齒間隙大的肽類，這種新型肽類或可將不溶解型藥物有效運輸至機體的準確部位，相關研究刊登於國際雜誌Biomacromolecules上。文章中研究者Hartgerink及其同事製造出了這種名為「無牙」肽類納米纖維水凝膠，納米纖維中的缺口可以用來「抓住」疏水性的藥物分子，這種生物降解性的凝膠可以隨著時間被注入所需要的位點，並且釋放其所攜帶的藥物分子。

利用定製肽類構建的凝膠是研究者Hartgerink實驗室的專長，近些年來這種水凝膠樣的材料通過逐漸被廣泛引入組織生長和組織癒合的研究中來；這項研究中，研究者I-Che Li同Amanda Moore進行研究，目的在於對傾向於聚集的藥物進行合理有效的運輸和使用，研究者Hartgerink說道，親水性分子通常並不需要一種運輸機制，因為我們可以直接將這些分子注射到患處，這些分子是水溶性的，其可以進入血液並且到達目的地；但疏水性藥物通常卻難以運輸，為此我們將這些疏水性藥物分子裝載入納米纖維水凝膠中的缺口處，這樣藥物分子就可以被運輸至機體的作用部位。

【9】ACS Cent Sci：幹細胞「沉睡」神器—水凝膠結構

doi：10.1021/acscentsci.5b00370

並不像正常細胞，幹細胞具有多能性，其可以轉變成為任何類型的細胞，從而為治療很多疾病比如糖尿病、白血病及年齡相關的失明提供一定希望，然而截止到目前為止如何維持幹細胞的多能性對科學家們而言依然是一項巨大的挑戰，近日一項刊登於國際雜誌ACS Central Science上的研究論文中，來自國外的研究人員通過研究發現，模仿昆蟲的滯育過程或許可以抑制幹細胞，從而就可以有選擇性地使得幹細胞「沉睡」長達兩周。

近來研究者們發現，將多能幹細胞生長於多種不同的表面或許可以促進幹細胞分化為特殊類型的細胞，基於此前研究，本文研究中研究者Steve Armes及其同事就假設，合適的環境或許就可以阻斷幹細胞不斷分化，提出這樣的假設Armes表示，這或許來源於一些特殊的哺乳動物，比如袋鼠可以選擇延遲懷孕，而該過程稱之為胚胎滯育，目的在於確保後代可以在合適的環境中出生。

【10】Adv Funct Mat：開發出可改變幹細胞命運的新型水凝膠結構

doi：10.1002/adfm.201300529

近日，來自凱斯西儲大學的研究者通過研究表明，當給與親水凝膠特定的分子信號和空間時，幹細胞就可以在新骨或者新的軟骨上更加快速茁壯地生長。相關研究成果刊登於國際雜誌Advanced Functional Materials上。通過構建一種三維立體的方格結構，即含有水凝膠（hydrogel）的可交互的高度相連的空間以及低相連的空間，研究者就可以通過調節方格的微型圖像來影響幹細胞的行為，比如增殖和分化。

解析幹細胞如何生長以及在哪裡生長被認為是幹細胞療法的一個重要領域，這項新型技術可以幫助研究者在三維角度來揭示物理、化學及其它影響因子如何影響幹細胞的行為，最終為再生醫學領域提供一點研究思路。研究者Eben Alsberg教授表示，使用這項新型系統我們就能夠調節細胞的增殖以及細胞的特殊分化，比如讓幹細胞分化為骨質細胞或者軟骨細胞等。水凝膠是一種水溶聚合物互相結合或者交聯而形成的一種親水的三維網絡結構，交聯可以增加水凝膠結構的硬度並且可以在水凝膠內部改變多孔結構。（生物谷Bioon.com）

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