科学家如何利用水凝胶技术加速人类健康研究？

本文中，小编整理了多篇重要研究成果，共同解读科学家如何利用水凝胶技术加速人类健康研究？与大家一起学习！

图片来源：Jae-Won Shin and Sing Wan Wong

【1】Adv Sci：一种水凝胶沉积技术或能成功“诱骗”干细胞转化为特殊的机体细胞

doi：10.1002/advs.202001066

近日，一项刊登在国际杂志Advanced Science上的研究报告中，来自芝加哥伊利诺伊大学等机构的科学家们通过研究开发了一种特殊的方法，其或能精准控制水凝胶的沉积，水凝胶由水溶性的聚合物组成，通常在实验中用于支持细胞用于治疗性的目的，同时水凝胶还能模拟细胞外基质，即机体细胞所处的天然环境。

研究者表示，这种能在一分钟内为单一细胞分装水凝胶液滴的新技术还能被用来“诱骗”骨髓干细胞分化成为特殊类型的细胞；同时该技术还是对当前技术的改进，当前很多方法通常会以一种不受控的方式将大量水凝胶与细胞混合，这就会使得细胞与其周围环境之间进行相互作用而难以进行研究，而新型的水凝胶沉积技术就可以用于治疗目的，比如支持用于制造新型组织的干细胞等。

【2】Science子刊：新型水凝胶可阻止和治疗伤口感染

doi：10.1126/scitranslmed.aax6601

在一项新的研究中，来自瑞典隆德大学的研究人员开发出一种基于身体天然肽防御的新型水凝胶。它经证实可阻止和治疗伤口感染。这种新型水凝胶可杀死多重耐药菌，其中随着全球抗生素耐药性的不断增加，这一问题变得越来越重要。相关研究结果近期发表在Science Translational Medicine期刊上。

研究者表示，从进化的角度来看，有效治愈伤口的能力是我们生存的关键。伤口中存在一些肽，这些肽可以防御细菌并阻止它们的毒素引起炎症。这种新型水凝胶基于这些自然防御机制，具有双重作用---既可以阻止伤口感染也可以治疗伤口感染。

【3】Sci Transl Med：华人学者开发纳米纤维-水凝胶复合材料促进软组织再生

doi：10.1126/scitranslmed.aau6210

约翰霍普金斯大学医学院的一组研究人员已经开发出一种凝胶，这种凝胶注射到实验动物体内时，可以让新的软组织生长从而取代失去的组织。在这项发表于Science Translational Medicine杂志上的论文中，该小组描述了他们开发这种凝胶的过程，以及它在实验大鼠和兔子身上的效果。

当一个人因为意外事故、感染或外科手术失去了一大块软组织时，外科医生几乎没有办法诱导身体再生缺失的组织，这将让病人不断想起自己失去的东西。在这项新的研究中，研究人员开发了一种新的凝胶，有望成为软组织再生工具。为了制作这种凝胶，研究小组使用一种已知的易于生物降解的聚合物来制造纳米纤维，这种材料已经在实际的医疗应用中使用了好几年。接下来，研究人员对纳米纤维进行了处理，使其中一些纤维能够与透明质酸结合——在实际的医疗应用中医生也在使用透明质酸——在这种情况下，纳米纤维可以形成凝胶，促进巨噬细胞的渗透，从而导致人体生成血管。研究人员因此获得了一种容易注射的凝胶，可以作为支架，也可以促进失去的软组织再生。

【4】Biomaterials：水凝胶不添加药物也可促进愈合

来自莱斯大学的研究人员发现了一个有趣的现象。他们一直在研究通过水凝胶建立药物递送系统，但是，他们惊奇的发现即使没有装载额外的药物，水凝胶对创伤愈合也有着很好的帮助。研究小组在杂志Biomaterials上发表了文章，对这种特殊的水凝胶进行了介绍。其中含有的氨基酸序列K2(SL)6K2的自组装多域肽（MDP），确实具有生物活性。这种水凝胶被注射到组织中，可以提供给新生细胞一个成长的环境，身体在数周内逐步将之清除。

Jeffrey Hartgerink博士是莱斯大学化学和生物工程的研究人员，他发现了所开发的这种原计划用于药物递送的合成支架本身对新组织中细胞和血管的生长都有很好的帮助。有一次Hartgerink和他的团队成员开始着手研究这个现象，他们发现即使没有添加物，他们的MDP也可以很快地被宿主细胞浸润，引起暂时性炎症反应，不形成纤维囊，支持成熟血管网的浸润并重建神经纤维。“我们惊讶地发现这个我们此前认为是对照的多肽有如此强烈的影响，”Hartgerink 表示，“事实证明，这种肽的固有结构和化学性质尽管非常简单，但却导致了强烈的生物反应。”

【5】Biomaterials：缓释水凝胶或能促进免疫疗法药物有效杀灭癌细胞

doi：10.1016/j.biomaterials.2018.01.035

日前，一项刊登在国际杂志Biomaterials上的研究报告中，来自德克萨斯大学健康科学研究中心和莱斯大学的科学家们通过联合研究开发了一种能嵌入缓释水凝胶的免疫疗法药物，其或能高效杀灭癌细胞。研究者表示，STINGel能将名为干扰素基因（STING）激动剂刺激因子的一类免疫疗法药物同一种可注射的凝胶进行结合，随后就能均衡的剂量释放药物来激活免疫系统杀灭癌细胞。在临床试验中，免疫疗法药物能够表现出强大的抗癌能力，同时研究结果还表明，这种药物能被机体快速代谢，目前的试验中研究人员需要进行多次注射。

这种缓释肽类凝胶能够长期持续将免疫疗法药物运输至肿瘤特定部位发挥作用，研究者Hartgerink就是开发自组装多域肽类（MDP）水凝胶的先驱科学家，这种水凝胶能够模拟机体细胞外基质来促进组织修复过程中的细胞生长及脉管功能的恢复，其能以液体的形式注射，随后在体内转化成为半固体，并随着时间缓慢降解；本文中研究人员使用的水凝胶与细胞非常相适，但当入侵者是癌细胞时就会产生麻烦，名为循环二核苷酸（CDNs）的免疫疗法药物就会在水凝胶中等待癌细胞并将其杀灭，因此，水凝胶中CDN的浓度非常重要。

【6】Cell：“水凝胶”态蛋白质帮助细胞响应刺激

当细胞受到外界环境的刺激（如加热、饥饿）时，细胞内的蛋白质和 RNA 分子会相互聚集，形成团块。长期以来，这些团块被认为是细胞损伤的标志，是有害的功能失调的分子，因而是需要被细胞清除掉的。例如，在阿尔茨海默氏病、帕金森氏病和肌萎缩性侧索硬化（ALS）等神经退行性疾病的患者大脑中，我们都能观察到聚集成团的蛋白质累积在垂死的神经元内。近日，芝加哥大学的研究人员在Cell发文称他们发现，在出芽酵母中存在一种名为 poly（A）结合蛋白（Pab1）的蛋白质分子能够通过形成团块来响应外界刺激，帮助细胞渡过难关。

这项研究中，研究人员试图把 Pab1 团块分离出来。在显微镜下，那些团块看起来像圆形的水滴，与其说是团块，倒不如说是水凝胶，质地有点像果冻或是牙膏。最重要的是，当研究人员在活细胞中干扰这种水凝胶的形成时，这些细胞就失去了应对外界刺激的能力。也就是说，Pab1 水凝胶的形成，非但没有损害细胞的正常功能，还增强了细胞的适应性。

【7】Nature：利用一种新的水凝胶在体外培养类器官

doi：10.1038/nature20168

在一项新的研究中，来自瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究人员开发出一种培养微型化身体器官的水凝胶，所培养出的微型化身体器官能够用于临床诊断和药物开发之中。类器官（organoid）是能够在实验室中利用人的干细胞培养出的微型器官。它们能够被用来构建疾病模型，而且在未来可能被用来测试药物或者甚至替换病人体内受损的组织。但是当前的类器官在一种标准化的可控方法中非常难以培养，其中这种方法是设计和使用它们的关键。如今，EPFL研究人员通过开发出一种正在申请专利的“水凝胶”而解决了这个问题，其中这种水凝胶提供一种完全可控的和可调整的方法来培养类器官，这一突破性发现发表在Nature期刊上。

培养类器官是利用干细胞---它们能够分化为人体中任何一种细胞类型的未成熟细胞，而且在组织功能和再生中发挥着关键作用---开展的。为了培养一种类器官，这些干细胞在三维水凝胶---含有促进干细胞更新和分化的生物分子混合物---内部进行培养。

【8】Biomacromolecules：开发出可轻松运输药物至患处的新型水凝胶样结构

doi：10.1021/acs.biomac.6b00309

近日，来自莱斯大学的生物工程师通过研究开发了一种具有牙齿间隙大的肽类，这种新型肽类或可将不溶解型药物有效运输至机体的准确部位，相关研究刊登于国际杂志Biomacromolecules上。文章中研究者Hartgerink及其同事制造出了这种名为“无牙”肽类纳米纤维水凝胶，纳米纤维中的缺口可以用来“抓住”疏水性的药物分子，这种生物降解性的凝胶可以随着时间被注入所需要的位点，并且释放其所携带的药物分子。

利用定制肽类构建的凝胶是研究者Hartgerink实验室的专长，近些年来这种水凝胶样的材料通过逐渐被广泛引入组织生长和组织愈合的研究中来；这项研究中，研究者I-Che Li同Amanda Moore进行研究，目的在于对倾向于聚集的药物进行合理有效的运输和使用，研究者Hartgerink说道，亲水性分子通常并不需要一种运输机制，因为我们可以直接将这些分子注射到患处，这些分子是水溶性的，其可以进入血液并且到达目的地；但疏水性药物通常却难以运输，为此我们将这些疏水性药物分子装载入纳米纤维水凝胶中的缺口处，这样药物分子就可以被运输至机体的作用部位。

【9】ACS Cent Sci：干细胞“沉睡”神器—水凝胶结构

doi：10.1021/acscentsci.5b00370

并不像正常细胞，干细胞具有多能性，其可以转变成为任何类型的细胞，从而为治疗很多疾病比如糖尿病、白血病及年龄相关的失明提供一定希望，然而截止到目前为止如何维持干细胞的多能性对科学家们而言依然是一项巨大的挑战，近日一项刊登于国际杂志ACS Central Science上的研究论文中，来自国外的研究人员通过研究发现，模仿昆虫的滞育过程或许可以抑制干细胞，从而就可以有选择性地使得干细胞“沉睡”长达两周。

近来研究者们发现，将多能干细胞生长于多种不同的表面或许可以促进干细胞分化为特殊类型的细胞，基于此前研究，本文研究中研究者Steve Armes及其同事就假设，合适的环境或许就可以阻断干细胞不断分化，提出这样的假设Armes表示，这或许来源于一些特殊的哺乳动物，比如袋鼠可以选择延迟怀孕，而该过程称之为胚胎滞育，目的在于确保后代可以在合适的环境中出生。

【10】Adv Funct Mat：开发出可改变干细胞命运的新型水凝胶结构

doi：10.1002/adfm.201300529

近日，来自凯斯西储大学的研究者通过研究表明，当给与亲水凝胶特定的分子信号和空间时，干细胞就可以在新骨或者新的软骨上更加快速茁壮地生长。相关研究成果刊登于国际杂志Advanced Functional Materials上。通过构建一种三维立体的方格结构，即含有水凝胶（hydrogel）的可交互的高度相连的空间以及低相连的空间，研究者就可以通过调节方格的微型图像来影响干细胞的行为，比如增殖和分化。

解析干细胞如何生长以及在哪里生长被认为是干细胞疗法的一个重要领域，这项新型技术可以帮助研究者在三维角度来揭示物理、化学及其它影响因子如何影响干细胞的行为，最终为再生医学领域提供一点研究思路。研究者Eben Alsberg教授表示，使用这项新型系统我们就能够调节细胞的增殖以及细胞的特殊分化，比如让干细胞分化为骨质细胞或者软骨细胞等。水凝胶是一种水溶聚合物互相结合或者交联而形成的一种亲水的三维网络结构，交联可以增加水凝胶结构的硬度并且可以在水凝胶内部改变多孔结构。（生物谷Bioon.com）

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