血管新生是新血管形成的生物学过程，对于组织修复、肿瘤生长和许多疾病的发展至关重要。内皮细胞在形成毛细血管网络时依赖于基质的形态和力学特性。然而，在现有的3D水凝胶中，这些特性是相互依赖的，它们在内皮细胞组织中的独立作用尚不清楚。因此，研究者们提出了一种通过工程化胶体凝胶来独立调控微结构形态和力学特性的方法，以研究这些参数在内皮细胞形态生成中的作用。
研究简介
胶体凝胶的制备与特性：
开发了基于明胶的胶体凝胶，通过调控粒子间的静电相互作用来介导聚合，从而实现了对微结构形态和力学特性的独立调控。通过改变聚合模式，胶体凝胶展现出了紧凑密集的微观结构或纤细的丝状网络，同时通过改变粒子分数独立控制了基质的刚度。实验结果表明，胶体凝胶可以根据聚合模式和粒子分数展现出可调的微观结构和力学特性。
内皮细胞在胶体凝胶中的行为：
内皮细胞（EC）网络更倾向于在纤细的丝状微结构中形成，这增加了细胞-基质和细胞-细胞间的相互作用。相比之下，紧凑密集的微结构抑制了网络的形成。对于给定的微结构，随着凝胶刚度的增加，EC网络的范围减少。这表明3D基质的形态和力学在EC网络形成过程中提供了不同的信号。
胶体凝胶的力学与形态学特性：
通过流变学测试，发现所有胶体凝胶显示出固体样响应，存储模量（G'）大于损失模量（G''）。随着粒子分数的增加，所有凝胶的G'增加，表明网络结构随着粒子聚合而扩展。N-凝胶和P-凝胶在0.05粒子分数时的弹性模量约为5 Pa，而AB-凝胶为40 Pa。随着粒子分数的增加，N-凝胶的弹性模量增加到300 Pa，而P-凝胶增加到150 Pa。这些结果表明，胶体凝胶的力学特性可以通过改变粒子分数来独立调控。
内皮细胞网络形成的机制：
探讨了胶体凝胶对EC网络形成的影响。在低粒子分数下，P-凝胶中的EC显示出广泛的相互连接的内皮管状网络结构，而N-凝胶和AB-凝胶中的细胞网络更短且不连续。随着粒子分数的增加，所有凝胶中EC网络的形成程度显著减少。这些结果表明，尽管增加了基质刚度，但如果基质微结构松散，EC仍能在较硬的基质中形成网络。
细胞-基质与细胞-细胞相互作用：
分析了胶体凝胶基质中细胞-基质和细胞-细胞相互作用的表达，特别是聚焦粘附激酶（FAK）及其在Tyr397位点的磷酸化（p-FAK）作为细胞-基质粘附相互作用的代表性标记，以及VE-cadherin作为细胞-细胞相互作用的代表性标记。结果显示，在P-凝胶中，FAK的表达和激活水平显著高于N-凝胶，这可能归因于P-凝胶的丝状微结构为细胞提供了更多的可接触表面，增强了基质粘附，从而促进了EC网络的形成。同时，P-凝胶中VE-cadherin的表达高于N-凝胶，表明扩展的EC管通过细胞-细胞粘附得到稳定。
基质刚度对EC网络形成的影响：
探讨了基质刚度对EC网络形成的影响。随着粒子分数的增加，所有三种凝胶的弹性模量增加，但EC网络的形成减少。这与之前的研究结果一致，即增加基质刚度会减少EC组织形成管状网络的能力。然而，P-凝胶即使在较高的刚度下也显示出比其他凝胶更广泛的EC网络，这表明即使在较高的刚度下，如果基质微结构松散，EC网络的形成也是可能的。
胶体凝胶在血管化中潜在应用：
这些具有可调力学形态特性的胶体凝胶可以作为生物材料，用于调控组织工程中的血管化。这些胶体凝胶提供了一个独特的系统，可以独立调控基质的力学和形态学特性，从而允许研究者们在EC组织中独立研究它们的作用。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41598-018-37788-w
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