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  水凝膠的力學性能在調(diào)控體外3D類器官的形成與發(fā)展過程中發(fā)揮著關鍵作用。然而，目前廣泛使用的天然水凝膠，如Matrigel及其他細胞外基質(zhì)（ECM）衍生產(chǎn)品，其組成不明確且復雜，力學性能無法調(diào)控。這一局限性給控制類器官的發(fā)育軌跡及3D形態(tài)帶來了挑戰(zhàn)。盡管近年來已采用多種具有明確化學結構的合成水凝膠通過調(diào)節(jié)剛度來研究類器官，但先進研究強調(diào)動態(tài)力學信號（包括動態(tài)剛度軟化及動態(tài)網(wǎng)絡粘彈性）對優(yōu)化類器官衍生以及對于模擬類器官生長過程中動態(tài)生理狀態(tài)至關重要。研究表明動態(tài)水凝膠具有很大的潛力，但該概念常被混淆使用，且在3D類器官衍生過程中缺乏系統(tǒng)性綜述以澄清這一模糊性。此外，動態(tài)力學信號調(diào)節(jié)類器官衍生的機制尚未被充分報道。

  據(jù)此，西交大魏釗研究員聯(lián)合北大楊根教授總結并分析了用于3D類器官衍生的可調(diào)力學性能動態(tài)水凝膠，并將其分為動態(tài)軟化水凝膠和動態(tài)粘彈性水凝膠，歸納了動態(tài)水凝膠的設計方法以及動態(tài)力學對3D類器官衍生過程的影響。此外，探討了動態(tài)水凝膠在3D類器官衍生中的應用和前景，以促進合成水凝膠的理性設計，指導3D類器官衍生并推動類器官技術在生物醫(yī)學中的應用。該工作近期以“Dynamic Hydrogels with Tunable Mechanics for 3D Organoid Derivation”為題發(fā)表于Small上。

  該綜述聚焦于動態(tài)水凝膠在 3D 類器官培養(yǎng)中的應用，指出天然水凝膠如 Matrigel 存在成分復雜、力學性能不可調(diào)等局限，而合成動態(tài)水凝膠通過動態(tài)硬度軟化（DSHs）和動態(tài)粘彈性（DVHs） 等力學調(diào)控策略，可模擬體內(nèi)動態(tài)生理環(huán)境，促進類器官發(fā)育。文中系統(tǒng)分類了 DSHs（如水解、酶、溫度、光、磁響應型）和 DVHs（基于物理相互作用或動態(tài)共價鍵）的設計策略，闡述了其通過整合素 / YAP 信號通路和機械敏感離子通道等機制調(diào)控類器官形成的作用，并展望了其在疾病建模、藥物篩選及再生醫(yī)學中的應用前景。

圖1 四種不同合成水凝膠在三維類器官培養(yǎng)中的對比研究。隨著細胞增殖與類器官體積增大：(a)在SHs體系中，水凝膠對類器官施加的機械力持續(xù)累積，最終阻礙其進一步生長與形態(tài)發(fā)生；(b)在FDHs體系中，因水凝膠完全降解導致類器官-基質(zhì)間細胞黏附喪失，引發(fā)類器官脫落與凋亡現(xiàn)象；(c)相比之下，DSHs體系可通過磁場、酶解、光照等外源刺激調(diào)控機械力。這些因子的介入使水凝膠發(fā)生軟化剛度變化，從而促進類器官發(fā)育并最終形成結構完整的類器官；(d)在DVHs體系中，水凝膠的應力松弛特性使作用于類器官的機械力逐步衰減，為類器官培養(yǎng)及完整結構的成功構建創(chuàng)造了有利條件。

  三維類器官培養(yǎng)中DSHs與動態(tài)粘彈性水凝膠DVHs的設計策略示意圖顯示，動態(tài)水凝膠已被廣泛應用于三維類器官培養(yǎng)領域。其中，DSHs（示意圖上半部分）通過水解作用、光響應性、電荷響應性、酶響應性及磁響應性實現(xiàn)動態(tài)力學性能的調(diào)控；而DVHs（示意圖下半部分）則借助酰腙鍵、硼酸酯鍵、二硒鍵（DiSe bonds）、烯丙基硫醚、主客體相互作用、狄爾斯-阿爾德反應（Diels-Alder）、氫鍵、離子相互作用以及多重相互作用，構建出適用于三維類器官培養(yǎng)的動態(tài)粘彈性體系。

  本文系統(tǒng)綜述了3D類器官衍生的動態(tài)水凝膠的分類和設計原理，重點解析了其通過動態(tài)機械性能調(diào)控類器官發(fā)育的核心機制。并且展望了動態(tài)水凝膠與新興技術（如生物3D打印、微流控器官芯片、單細胞組學分析）的融合潛力，提出通過多尺度動態(tài)調(diào)控（力學-化學-生物學）構建更接近生理狀態(tài)的類器官模型，為疾病機制解析、藥物篩選及再生醫(yī)學提供革新性工具，推動個性化醫(yī)療從理論走向臨床實踐。

  原文鏈接 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202501862