水凝膠是一種具有三維交聯網絡結構的高分子材料，能夠在水中吸收大量水分而保持其形狀和結構。近年來，水凝膠因其獨特的物理和化學特性，在生物醫學、組織工程、藥物遞送、傳感器開發等多個領域展現出廣泛的應用前景，成為跨學科研究的熱點。

在6月6日，紐約州立大學石溪分校Michael Mak團隊提出了一種基于大分子擁擠（MMC）效應的膠原蛋白制造方法，稱為可調快速膠原蛋白元素組裝（TRACE）。該方法通過應用惰性擁擠劑加速膠原蛋白的液-凝膠轉變，實現了未修飾膠原蛋白的即時組裝，能夠在微觀到宏觀的尺度上高通量地創建生理膠原蛋白結構，并通過產生可調的多尺度建筑線索促進細胞自組裝和形態發生，為組織工程和生物打印領域提供了新的工具。（）

在本研究中，新加坡國立大學Jennifer L. Young等人開發了一種新型的混合水凝膠-細胞外基質（ECM）支架——DECIPHER，用于研究心臟衰老過程中的生化和機械特征。研究團隊通過這種支架，獨立調控了兩種不同的基質屬性——配體展示和剛度，以探索它們在心臟衰老中的具體作用。文章揭示了年輕ECM的配體展示可以抵消老化ECM中通常存在的促纖維化剛度信號，維持或促進心肌成纖維細胞（CFs）的靜止狀態，為開發基于ECM的抗衰老治療策略提供了重要見解。該研究以“Hybrid hydrogel–extracellular matrix scaffolds identify biochemical and mechanical signatures of cardiac ageing”為題于6月12日發表在《

Nature Materials

【主要內容】

圖1 DECIPHER系統

將小鼠心臟組織切片放置在疏水玻璃片上，浸泡在經過甲醛預處理的丙烯酰胺水凝膠溶液中，通過紫外線交聯形成水凝膠網絡，隨后進行原位去細胞化處理，最終得到保持天然ECM組成和結構的支架。該系統能夠獨立調控力學特性和配體展示，用于研究細胞與ECM之間的相互作用。

圖2 DECIPHER保持天然ECM配體

通過免疫組化染色證明了DECIPHER成功去除了細胞結構，同時保留了ECM成分（如膠原蛋白、纖維連接蛋白、透明質酸和層粘連蛋白）。通過TWOMBLI插件對膠原蛋白結構進行量化分析，顯示年輕和老化ECM在多個幾何參數上存在顯著差異。通過納米壓痕技術測量了天然組織和水凝膠的剛度，DECIPHER能夠模擬天然組織的剛度。DECIPHER樣本的剛度圖證明其力學特性可調，且其粘彈性特性與天然組織更為接近。

圖3 CFs和ECM的年齡依賴性調控

圖中展示了RNA-seq分析中年輕和老化CFs的差異表達基因（DEGs），老化CFs表現出更高的衰老和激活潛力。熱圖顯示了DEGs的表達模式，KEGG富集分析揭示了老化CFs中激活和抑制的信號通路。通過質譜分析得到的年輕和老化心臟ECM的差異表達蛋白（DEPs），配體-受體相互作用圖揭示了CFs和ECM之間的年齡特異性調控。DECIPHER樣本上CFs的基因表達差異揭示了ECM剛度和年齡對CFs激活和衰老的影響。

圖4 ECM配體線索在CF激活和力學傳導中的作用

免疫熒光染色結果顯示不同條件下CFs的α5整合素、YAP和α-SMA的表達和定位情況，表明ECM配體線索對CFs的激活和力學傳導具有重要影響。RNA-seq分析中與CF激活相關的基因表達情況進一步證實了ECM配體線索在CF激活中的關鍵作用。

圖5 年齡相關配體和力學線索決定基質調節和重構

圖中展示了RNA-seq分析中與ECM降解、交聯和分泌相關的基因表達情況，揭示了細胞和基質年齡對ECM調節的影響。DECIPHER樣本中保留的基質交聯酶LOX的免疫染色結果，以及免疫熒光染色結果進一步證實了LOX在不同條件下的表達情況。通過免疫金標記和掃描電鏡觀察到的DECIPHER樣本中保留的功能性配體。特定基因表達的定量分析結果進一步支持了ECM年齡和力學線索在基質調節中的作用。

圖6 協同基質線索驅動CF衰老和再生

圖中展示了RNA-seq分析中年輕和老化CFs在不同條件下的基因表達差異，揭示了ECM剛度和年齡對CF衰老和再生的影響。示意圖總結了ECM屬性如何調控年輕和老化CFs的功能。與CF衰老相關的特定基因表達的熱圖和定量分析結果，進一步支持了ECM剛度和年齡在CF衰老中的作用。免疫熒光染色結果揭示了p53陽性細胞在不同條件下的分布情況，表明ECM剛度和年齡對CF衰老的影響。

【全文總結】

本文介紹了一種名為DECIPHER的新型混合水凝膠-細胞外基質（ECM）支架，用于研究心臟衰老過程中的生化和機械特征。DECIPHER通過將聚丙烯酰胺水凝膠與心臟組織切片結合，并進行原位去細胞化處理，成功保持了ECM的天然組成和結構，同時能夠獨立調節力學特性，模擬年輕或老化組織的剛度。研究發現，年輕ECM的配體展示能夠抵消老化ECM中通常存在的促纖維化剛度信號，維持心肌成纖維細胞（CFs）的靜止狀態，而老化ECM則會增強CFs的激活和衰老。此外，通過RNA測序和質譜分析，研究揭示了ECM剛度和年齡對CFs基因表達、力學感知、ECM重構和衰老的調控作用。DECIPHER技術為深入理解ECM在心臟衰老中的作用提供了獨特的工具，并為開發基于ECM的抗衰老治療策略提供了重要的理論基礎。

https://mp.weixin.qq.com/s/g5PKzmtrAWawrTg_Rcrx_A

https://www.nature.com/articles/s41563-025-02234-6

來源：BioMed科技