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  水凝膠的力學性能在調控體外3D類器官的形成與發展過程中發揮著關鍵作用。然而，目前廣泛使用的天然水凝膠，如Matrigel及其他細胞外基質（ECM）衍生產品，其組成不明確且復雜，力學性能無法調控。這一局限性給控制類器官的發育軌跡及3D形態帶來了挑戰。盡管近年來已采用多種具有明確化學結構的合成水凝膠通過調節剛度來研究類器官，但先進研究強調動態力學信號（包括動態剛度軟化及動態網絡粘彈性）對優化類器官衍生以及對于模擬類器官生長過程中動態生理狀態至關重要。研究表明動態水凝膠具有很大的潛力，但該概念常被混淆使用，且在3D類器官衍生過程中缺乏系統性綜述以澄清這一模糊性。此外，動態力學信號調節類器官衍生的機制尚未被充分報道。

  據此，西交大魏釗研究員聯合北大楊根教授總結并分析了用于3D類器官衍生的可調力學性能動態水凝膠，并將其分為動態軟化水凝膠和動態粘彈性水凝膠，歸納了動態水凝膠的設計方法以及動態力學對3D類器官衍生過程的影響。此外，探討了動態水凝膠在3D類器官衍生中的應用和前景，以促進合成水凝膠的理性設計，指導3D類器官衍生并推動類器官技術在生物醫學中的應用。該工作近期以“Dynamic Hydrogels with Tunable Mechanics for 3D Organoid Derivation”為題發表于Small上。

  該綜述聚焦于動態水凝膠在 3D 類器官培養中的應用，指出天然水凝膠如 Matrigel 存在成分復雜、力學性能不可調等局限，而合成動態水凝膠通過動態硬度軟化（DSHs）和動態粘彈性（DVHs） 等力學調控策略，可模擬體內動態生理環境，促進類器官發育。文中系統分類了 DSHs（如水解、酶、溫度、光、磁響應型）和 DVHs（基于物理相互作用或動態共價鍵）的設計策略，闡述了其通過整合素 / YAP 信號通路和機械敏感離子通道等機制調控類器官形成的作用，并展望了其在疾病建模、藥物篩選及再生醫學中的應用前景。

圖1 四種不同合成水凝膠在三維類器官培養中的對比研究。隨著細胞增殖與類器官體積增大：(a)在SHs體系中，水凝膠對類器官施加的機械力持續累積，最終阻礙其進一步生長與形態發生；(b)在FDHs體系中，因水凝膠完全降解導致類器官-基質間細胞黏附喪失，引發類器官脫落與凋亡現象；(c)相比之下，DSHs體系可通過磁場、酶解、光照等外源刺激調控機械力。這些因子的介入使水凝膠發生軟化剛度變化，從而促進類器官發育并最終形成結構完整的類器官；(d)在DVHs體系中，水凝膠的應力松弛特性使作用于類器官的機械力逐步衰減，為類器官培養及完整結構的成功構建創造了有利條件。

  三維類器官培養中DSHs與動態粘彈性水凝膠DVHs的設計策略示意圖顯示，動態水凝膠已被廣泛應用于三維類器官培養領域。其中，DSHs（示意圖上半部分）通過水解作用、光響應性、電荷響應性、酶響應性及磁響應性實現動態力學性能的調控；而DVHs（示意圖下半部分）則借助酰腙鍵、硼酸酯鍵、二硒鍵（DiSe bonds）、烯丙基硫醚、主客體相互作用、狄爾斯-阿爾德反應（Diels-Alder）、氫鍵、離子相互作用以及多重相互作用，構建出適用于三維類器官培養的動態粘彈性體系。

  本文系統綜述了3D類器官衍生的動態水凝膠的分類和設計原理，重點解析了其通過動態機械性能調控類器官發育的核心機制。并且展望了動態水凝膠與新興技術（如生物3D打印、微流控器官芯片、單細胞組學分析）的融合潛力，提出通過多尺度動態調控（力學-化學-生物學）構建更接近生理狀態的類器官模型，為疾病機制解析、藥物篩選及再生醫學提供革新性工具，推動個性化醫療從理論走向臨床實踐。

  原文鏈接 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202501862