在组织再生领域，细胞代谢能量学起着至关重要的作用，提高移植干细胞的代谢活性可以加速组织修复和再生。然而，传统的水凝胶由于其有限的网络细胞适应性，限制了细胞间的相互作用和细胞代谢活动，这成为了该领域的一个重要痛点。
研究简介
本研究成功制备了一种具有高网络动态性的细胞适应性超分子水凝胶（HA-ADA），基于β-环糊精和金刚烷（CD-ADA）之间的主客体相互作用。这种水凝胶通过促进人骨髓间充质干细胞（hMSCs）的细胞间相互作用，增强了细胞的葡萄糖摄取和脂肪酸β-氧化，从而提高了细胞的三羧酸（TCA）循环活性、氧化磷酸化（OXPHOS）和ATP生物合成。研究结果表明，与低网络动态性的水凝胶（HA-CA）相比，HA-ADA水凝胶中封装的hMSCs表现出更高的TCA循环活性和OXPHOS，从而产生更多的ATP。
研究发现，HA-ADA水凝胶通过E-cadherin和AMP激活的蛋白激酶（AMPK）依赖性机制增强了葡萄糖转运蛋白1（GLUT1）的活性，进而促进了TCA循环、氧化磷酸化和脂肪酸β-氧化，导致ATP的产生增加。此外，HA-ADA水凝胶在体内评估中进一步显示了通过动态水凝胶传递的MSCs在动物模型中增强了原位骨再生的能力。
探讨了HA-ADA水凝胶与HA-CA水凝胶在力学性能、肿胀比率、可降解性等方面的差异。通过流变学频率扫描实验，HA-ADA水凝胶显示出比HA-CA水凝胶更高的损耗模量（G″）和更快的松弛时间，表明HA-ADA水凝胶具有更高的网络动态性。
在细胞实验方面，HA-ADA水凝胶展现出了优异的细胞相容性，并且能够显著增强封装的hMSCs的星形扩展。通过实时定量PCR（qPCR）和免疫荧光染色，研究者们发现HA-ADA水凝胶中GLUT1的基因和蛋白表达水平显著高于HA-CA水凝胶，表明HA-ADA水凝胶促进了封装的hMSCs的葡萄糖摄取。
此外，研究发现HA-ADA水凝胶能够降低与脂质积累相关的标记基因表达，并提高与脂质β-氧化相关的标记基因表达，这表明HA-ADA水凝胶在降低脂质积累和提高脂质β-氧化方面具有潜在的增强代谢能量产生的能力，从而有助于hMSCs的分化。
在TCA循环活性方面，HA-ADA水凝胶中的hMSCs表现出更高的TCA循环相关标记基因表达，以及更高的柠檬酸合成和NADH生成，这进一步证实了HA-ADA水凝胶能够增强封装的hMSCs的TCA循环活性。
在氧化磷酸化方面，HA-ADA水凝胶中的hMSCs显示出更高的OXPHOS相关基因表达和ATP5F1蛋白表达，这表明HA-ADA水凝胶能够促进封装的hMSCs的氧化磷酸化和能量产生。
最后，探讨了HA-ADA水凝胶通过激活AMPK促进能量生成的能力。通过siRNA技术敲低AMPK的表达后，与能量生成相关的基因表达水平显著下降，证实了AMPK在ATP生成中的关键作用。此外，E-cadherin的表达在HA-ADA水凝胶中显著高于HA-CA水凝胶，这可能归因于HA-ADA水凝胶中增强的细胞间相互作用，从而促进了AMPK的激活。
综上所述，本研究的结果显示，HA-ADA水凝胶通过增强细胞间相互作用和代谢活动，提高了hMSCs的能量代谢，从而为骨再生提供了一种有效的动态生物材料。这些发现为开发能够调节细胞能量代谢以增强组织再生的动态生物材料提供了重要的见解，并为未来的组织工程和再生医学应用提供了有价值的信息。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202307176
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