摘要：肠道类器官，作为现代医学研究中的“明星模型”，以其能够高度模拟人体肠道的复杂结构和功能而备受关注。它们在疾病研究、药物开发以及个性化医疗等领域展现出了巨大的应用潜力。

肠道类器官，作为现代医学研究中的“明星模型”，以其能够高度模拟人体肠道的复杂结构和功能而备受关注。它们在疾病研究、药物开发以及个性化医疗等领域展现出了巨大的应用潜力。

然而，目前用于培养肠道类器官的基质材料存在诸多局限，如成分复杂、来源不稳定等，这些问题严重制约了肠道类器官研究的进一步发展。

为了突破这一瓶颈，荷兰埃因霍温理工大学的科学家们将目光投向了一种全新的合成材料——动态水凝胶。

这种材料不仅成分明确，而且可以通过精确调控其力学和动态特性，为肠道类器官的生长提供理想的微环境。

那么，这种新型材料究竟能否为肠道类器官的研究带来新的突破呢？让我们一起走进这项前沿研究，探索其中的奥秘。

文章介绍

题目：通过装饰层粘连蛋白衍生的IKVAV肽的合成动态水凝胶调控肠类器官极性

杂志：Advanced Healthcare Materials

影响因子：9.6

发表时间：2025年9月

#1

研究背景

Background

肠道类器官是模拟人类肠道结构和功能的三维细胞模型，广泛应用于健康和疾病研究。它们的极性（细胞的顶底分化）对于正常功能至关重要。

传统培养基Matrigel成分复杂且来源有限，影响研究的可重复性和应用范围。

为解决这些问题，研究者们尝试开发合成水凝胶来替代Matrigel，但这些合成材料在力学性质和动态行为上存在局限性，难以完全模拟天然细胞外基质的复杂环境。

本研究旨在开发一种完全合成的动态水凝胶，通过引入层粘连蛋白衍生的IKVAV肽，精确控制肠道类器官的极性。

这种水凝胶不仅成分明确，还能通过调整力学性质和动态行为来优化类器官的培养条件，为肠道类器官的研究提供一种更可控、更可靠的平台。

#2

研究思路

Methods

1. 设计合成动态水凝胶：基于尿素吡啶（UPy）单元，合成带有IKVAV肽的超分子水凝胶，以模拟天然细胞外基质的功能。

2. 调控水凝胶性质：通过调整UPy单元比例，控制水凝胶的力学强度和动态行为，如应力松弛半衰期。

3. 培养肠道类器官：将肠道干细胞封装在合成水凝胶中，观察不同条件下类器官的极性变化。

4. 探究极性影响因素：分析IKVAV肽、水凝胶力学强度和动态行为对肠道类器官极性的影响。

5. 验证整合素介导作用：通过添加整合素激活和抑制抗体，验证IKVAV-类器官相互作用的整合素依赖性。

#3

研究结果

Results

1. 超分子单体的分子设计与合成

本研究中超分子方法具有模块化特性，可正交控制水凝胶的生物活性、硬度和动力学。在生物活性方面，层粘连蛋白衍生的IKVAV肽与M-UPy共价结合。

通过液相色谱-质谱（LC-MS）确认，UPy-IKVAV的纯度为蓬松白色固体，产率约为51%。为确保水溶性，在M-UPy和IKVAV之间安装了GKKG序列。

2. 含IKVAV的超分子纤维和水凝胶的配方

2.1 稀态含IKVAV超分子纤维的超分子配方

1. M-UPy溶液的制备：

- 将适量的固体M-UPy粉加入干净的玻璃小瓶中。

- 在80 mM氢氧化钠中溶解，加热至70°C，搅拌30分钟。此过程中，UPy烯醇互变异构体的部分羟基被去质子化，产生较少的结合分子。

- 将溶液冷却至室温后，用1 M HCl中和至生理pH。

2. UPy-IKVAV溶液的制备：

- 将UPy-IKVAV溶解于PBS中，加热至70°C，搅拌15分钟。

- 在中性条件下，将M-UPy和UPy-IKVAV混合至所需浓度。

- 制备总浓度为1 mM的原液，保存在4°C，待进一步使用。

3. 光谱和电镜测量：

- 在总UPy浓度为50 μM时进行光谱测量。

- 在总UPy浓度为250 μM时进行低温透射电镜（cryoTEM）测量。

- M-UPy/UPy-IKVAV的摩尔比为90/10（mol%）。

- 用pH 7.4的PBS稀释1 mM原液，得到50或250 μM的目标浓度。

- 样品在4°C下保存两晚后进行紫外和圆二色光谱（CD）分析。

2.2 含IKVAV的凝胶态超分子水凝胶的超分子配方及细胞包封过程

1. 超分子UPy水凝胶的制备：

- 将M-UPy在70°C的PBS中溶解15分钟。

- 将UPy-IKVAV在中性PBS中溶解15分钟。

- 在碱性条件下将UPy-IKVAV与M-UPy溶液混合，确保混合均匀。

- 将混合后的生物活性M-UPy溶液中和。

- 将B-UPy溶解在中性PBS中，温度升高至70°C，达到所需的原液浓度。

2. 细胞包封过程：

- 使用混合机械和酶法将预培养的类器官-基质凝胶解离成单个细胞。

- 将干细胞以2:3的体积比（20 μL细胞与30 μL M-UPy溶液）包封在M-UPy溶液中。

- 将B-UPy溶液移至U型96孔板中，与含细胞的M-UPy溶液按1:5的体积比混合（10 μL B-UPy与50 μL含细胞的M-UPy溶液）。

- 将包裹在UPy水凝胶中的干细胞在37°C的培养箱中平衡1-2小时，然后小心滴加培养基。

- 在培养的前2天，在细胞悬浮液和补充培养基中添加ROCK抑制剂。

- 在细胞悬液和补充培养基中加入其他药物处理（整合素激活抗体TS2/16和整合素抑制抗体AIIB2）。

- 每2天刷新一次整合素操纵器。

3. 力学和动力学表征：

- 将水凝胶在4°C下平衡过夜，用副膜密封以防止蒸发。

- 第二天进行流变学实验。

- 通过改变总UPy水凝胶浓度来控制水凝胶的硬度，同时保持固定的超分子单体比例和固定的绝对配体浓度1 mM UPy-IKVAV。

- 通过调节单功能（M）和双功能（B）超分子单体之间的比例来控制水凝胶动力学，同时保持固定的绝对配体浓度为1 mM UPy-IKVAV。

3. 含UPy-IKVAV的超分子溶液及水凝胶的表征

在进行类器官培养前，研究者对含UPy-IKVAV的超分子溶液（50-250 μM）和水凝胶（4-18 mM）进行了表征。通过紫外-可见、圆二色光谱和低温透射电子显微镜图像，研究了UPy-IKVAV是否与单功能超分子纤维共组装。

结果显示，M-UPy和UPy-IKVAV在稀释状态下相互作用并共组装，形成μm长的纤维（图1A）。含IKVAV的超分子水凝胶（1.2%w/v，1 mM UPy-IKVAV，M/B UPy摩尔比80/1）具有流变性，G′约为1 kPa，表现出完全和立即的自愈行为，应力松弛半衰期约为1000秒。这些特性有助于干细胞向多细胞类器官的生长。

图1

4. 层粘连蛋白衍生的UPy-IKVAV对正确的类器官极性至关重要

为了探究配体类型对类器官极性的影响，研究者将不同生物活性UPy单体作为配体加入超分子水凝胶中。实验涉及的配体包括层粘连蛋白衍生的UPy-IKVAV、纤维连接蛋白衍生的UPy-cRGD、胶原衍生的UPy-GFOGER，以及与UPy-cRGD联合测试的UPy-PHSRN。

实验结果显示，只有在1 mM层粘连蛋白衍生的UPy-IKVAV和整合素激活抗体TS2/16存在的情况下，细胞才能生长成具有正确基底向外极性的类器官（图2A）。降低UPy-IKVAV浓度会导致正确极化类器官的减少，凸显了UPy-IKVAV在实现正确类器官极性中的关键作用。

而UPy-cRGD主要导致类器官具有错误的顶端向外极性，UPy-GFOGER则仅促使细胞聚集，无法支持正确的类器官极性。此外，双配体实验表明，UPy-cRGD与UPy-IKVAV联合使用时，正确极化的类器官比例与单独使用UPy-IKVAV相似，未发现协同效应。

而UPy-PHSRN与UPy-cRGD联合使用时，仅形成细胞聚集体，且UPy-cRGD单独使用时会形成极性相反的类器官（图2）。

图2

5. 为肠道类器官提供机械支持所需的基本硬度

研究探讨了水凝胶硬度对肠道类器官极性的影响。通过改变水凝胶的总w/v%来调节凝胶硬度，同时保持固定的绝对配体浓度（1 mM UPy-IKVAV）和M/B UPy的摩尔比（80/1）。

流变学实验显示，水凝胶硬度从0.6 w/v%的0.1 kPa增加到2.5 w/v%的1 kPa，而粘弹性响应（tan(?)）在2.5 w/v%的水凝胶中更高，表明其更粘稠。应力松弛实验表明，所有水凝胶在1000秒后释放约50%的应力，动力学未变。

在细胞实验中，0.1 kPa的软水凝胶导致较低比例的正确极化类器官（约10%），而1 kPa的硬水凝胶则提高到约30%。此外，1.2 w/v%的水凝胶（G′≈0.7 kPa）产生的类器官大小适中，似乎是最佳的。

这表明，除了配体类型的关键作用外，还需要一个基本水平的硬度来提供足够的机械支持，以支持正确的肠道类器官极性（图3G）。

图3

6. 水凝胶动力学进一步支持正确的肠道类器官极性

通过超分子调谐探讨了水凝胶动力学对肠道类器官极性的影响。通过改变M-UPy与B-UPy的比例（从80/1到9/1），同时保持固定的绝对配体浓度（1 mM UPy-IKVAV）和总UPy水凝胶浓度（1.2 w/v%），调整水凝胶动力学。

流变学实验显示，水凝胶硬度保持大致相同，但M/B = 9/1的水凝胶表现出更强的粘性和更快的应力松弛（?1/2 ≈ 30 s），表明其更动态。

在细胞实验中，M/B=9/1的水凝胶中正确极化的类器官比例（约52%）高于M/B=80/1的水凝胶（约27%）。这表明，增加的水凝胶动力学有助于肠道类器官的正确极化（图4G）。

图4

7. 阐明IKVAV-类器官相互作用

研究通过操纵整合素活性，使用1.2 w/v%的UPy水凝胶（G′≈1 kPa，?1/2≈30 s）来探究IKVAV-类器官相互作用的机制。实验发现，整合素β1阻断抗体（AIIB2）可将BME中培养的类器官极性逆转为顶端向外，而在UPy-IKVAV水凝胶中添加该抗体可得到几乎100%倒置的类器官，表明IKVAV-类器官相互作用由整合素β1介导（图5C）。

图5

研究还发现，层粘连蛋白衍生的IKVAV序列对实现肠道类器官的正确基底向外极性至关重要，而胶原衍生的UPy-GFOGER和纤维连接蛋白衍生的UPy-cRGD分别导致细胞聚集和倒置的顶端向外的类器官。

水凝胶硬度从0.1 kPa增加到1 kPa，以及应力松弛?1/2从1000秒缩短到30秒，均显著提高了正确极化类器官的比例，表明适当的硬度和快速纤维重排对类器官极性至关重要（图6D）。

图6

小结

本研究成功开发了一种合成的动态水凝胶，通过引入层粘连蛋白衍生的IKVAV肽，实现了对肠道类器官极性的精准调控。研究发现，IKVAV肽是引导肠道类器官正确极性的关键因素，而水凝胶的力学强度和动态行为也对类器官的极性有显著影响。

特别是，当水凝胶的应力松弛半衰期为30秒时，肠道类器官的正确极性比例最高。此外，研究还证实了IKVAV-类器官的相互作用是通过整合素β1介导的。这些发现不仅为肠道类器官的研究提供了一种更可控、更可靠的平台，也为未来设计更复杂的合成系统以培养活体组织提供了重要的指导。

未来，这种合成水凝胶有望在个性化药物筛选和组织替代应用中发挥重要作用。

参考文献

Rijns L, Wijnakker JAPM, Veenbrink VA, Bellan R, Craenmehr FWB, Hendrikse SIS, van Sprang JF, de Lau W, Meijer EW, Clevers H, Dankers PYW. Controlling Intestinal Organoid Polarity using Synthetic Dynamic Hydrogels Decorated with Laminin-Derived IKVAV Peptides. Adv Healthc Mater. 2025 Sep 4:e02079. doi: 10.1002/adhm.202502079.

来源：培养盒守护者