在三维（3D）培养中，MSC的软骨生成涉及细胞骨架结构在间充质凝聚期间的动态变化，但目前尚不清楚基质的动态机械属性与软骨生成过程中细胞骨架变化之间的联系机制。这个研究通过控制胶原水凝胶的凝胶化过程来调节其粘弹性，而不使用化学交联剂，以研究不同软骨生成阶段MSC细胞骨架变化的协调机制。
研究简介
胶原水凝胶的粘弹性在MSC软骨生成中扮演的关键角色。研究发现，通过控制胶原溶液的低温孵化时间，可以调节胶原纤维的自组装程度，进而影响水凝胶的粘弹性。实验中，胶原水凝胶的粘弹性通过不同的低温孵化时间来调节，从而产生了不同自组装程度的胶原纤维网络。这些水凝胶在初始弹性模量相同的情况下，展现出不同的应力松弛行为，其中4小时低温孵化的水凝胶展现出最快的应力松弛。
在细胞形态和肌动蛋白组织方面，研究结果显示，较快松弛的水凝胶促进了细胞-基质相互作用，并最终促进了长期软骨生成，同时减轻了肌球蛋白超活化和细胞凋亡。相比之下，较慢松弛的水凝胶虽然在早期促进了软骨生成分化，但持续的肌球蛋白超活化导致了ROCK依赖性凋亡。此外，研究还发现，较快松弛的水凝胶通过抑制肌球蛋白超活化来减轻细胞凋亡，这与ROCK抑制剂的效果相似。
在软骨生成的早期阶段，较慢松弛的水凝胶促进了MSC的软骨生成分化，这表现在SOX-9、ACAN和Col2a1等软骨特异性基因表达的上调。然而，随着时间的推移，较快松弛的水凝胶在长期软骨生成中表现出优越性，这表现在Col II和ACAN基因表达的上调以及更高水平的软骨基质沉积。这些结果表明，较慢松弛的水凝胶在早期虽然促进了软骨生成，但未能维持这种优势，而较快松弛的水凝胶则在长期内促进了软骨基质的沉积。
在细胞生存方面，研究还探讨了水凝胶粘弹性对MSC生存的影响。结果显示，在较慢松弛的水凝胶中，细胞数量随时间减少，而较快松弛的水凝胶中细胞数量在每个时间点都显著更高。通过TUNEL染色评估的细胞凋亡在较慢松弛的水凝胶中更为突出。这些结果表明，较快松弛的水凝胶通过减轻肌球蛋白超活化来抑制细胞凋亡，这可能是通过ROCK依赖性途径实现的。
为了进一步验证这一假设，使用了ROCK抑制剂Y-27632和非肌球蛋白II抑制剂blebbistatin进行药理学抑制实验。结果显示，这些抑制剂处理后，较慢松弛的水凝胶中的细胞凋亡显著减少，细胞数量增加，软骨基质沉积也得到促进。这些结果表明，通过抑制ROCK依赖性凋亡，可以促进较慢松弛水凝胶中的MSC软骨生成，这与较快松弛水凝胶的效果相似。
综上所述，本研究揭示了胶原水凝胶粘弹性在调节MSC软骨生成中的重要性。胶原水凝胶的粘弹性不仅影响细胞-基质相互作用和细胞形态，还通过ROCK依赖性途径调节细胞凋亡，从而影响长期软骨生成。这些发现为设计用于软骨组织工程和再生医学的生物材料提供了重要的参考依据。通过调节水凝胶的粘弹性，可以优化细胞培养环境，促进MSC的软骨生成，为软骨缺陷的修复和再生提供了新的思路。
讨论了胶原水凝胶在3D培养中的独特优势，包括其在发育间充质凝聚期间作为主要的细胞外基质（ECM）组分，以及其在体外诱导MSC软骨生成和体内再生透明软骨的潜力。此外，胶原水凝胶的粘弹性可以通过控制凝胶化条件来调节，而不改变其弹性模量，这为研究提供了一个可控的实验平台。
原文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ade9497
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