類器官是模擬具有多細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的器官復(fù)雜性的體外模型系統(tǒng)，為生物醫(yī)學(xué)和組織工程提供了巨大的潛力。 然而，它們目前的形成很大程度上依賴于使用復(fù)雜的動物源性細(xì)胞外基質(zhì) (ECM)，例如基質(zhì)膠。 這些基質(zhì)的化學(xué)成分通常定義不明確，并且表現(xiàn)出有限的可調(diào)性和再現(xiàn)性。 最近，可以精確調(diào)整特定水凝膠的生化和生物物理特性，為支持類器官的發(fā)育和成熟提供更廣泛的機會。 在這篇綜述中，總結(jié)了 ECM 體內(nèi)的基本特性以及設(shè)計類器官培養(yǎng)基質(zhì)的關(guān)鍵策略。 提出了兩種典型定義的源自天然和合成聚合物的水凝膠，它們可用于改善類器官的形成。 重點介紹了將類器官納入特定水凝膠的代表性應(yīng)用。 最后，還討論了開發(fā)特定水凝膠和支持類器官研究的先進(jìn)技術(shù)的一些挑戰(zhàn)和未來前景。

體外三維（3D）人體器官型模型的創(chuàng)建是一項重大的技術(shù)突破。類器官引起了極大的關(guān)注，因為它們可以概括其體內(nèi)對應(yīng)物的關(guān)鍵功能和結(jié)構(gòu)特征。在過去的幾十年中，在體外生長和維持類器官方面，已經(jīng)出現(xiàn)了開發(fā)復(fù)雜仿生組織結(jié)構(gòu)策略的持續(xù)努力。在體內(nèi)，天然基質(zhì)為所有組織和器官內(nèi)的嵌入細(xì)胞簇提供生物活性因子、3D支持和形態(tài)學(xué)指導(dǎo)，有助于整個人體的構(gòu)建。

在這方面，定義的水凝膠是親水的交聯(lián)聚合物，可以設(shè)計成模擬不同組織的ECM。這使得能夠創(chuàng)建與感興趣器官的體內(nèi)生態(tài)位非常相似的微環(huán)境，促進(jìn)類器官內(nèi)細(xì)胞的生長和分化。定義的水凝膠可以通過改變其物理，化學(xué)和機械特性來定制，為研究人員提供了一種多功能工具，可以為各種器官創(chuàng)建類器官模型。此外，將生長因子、信號分子和其他生物活性分子摻入水凝膠基質(zhì)中，進(jìn)一步可以精確控制類器官微環(huán)境[25]。近年來，隨著幾種具有精確調(diào)諧的生化和生物物理特性的天然和合成水凝膠的出現(xiàn)，類器官生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域出現(xiàn)了更多的機會。

在本綜述中，我們旨在概述使用定義的水凝膠作為細(xì)胞指導(dǎo)支架來支持類器官研究（圖1）。首先，我們提供了一些用于模擬天然ECM的已定義水凝膠的基本考慮因素和策略。然后，我們重點介紹了兩種定義明確的水凝膠及其類器官在器官發(fā)育、疾病建模、藥物測試和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的顯著應(yīng)用。最后，我們還討論了具有可控反應(yīng)特性的新興水凝膠在幫助彌合體外類器官模型與其體內(nèi)對應(yīng)物之間的差距方面的前景。

圖 1.支持類器官研究的特定水凝膠概述。 在開發(fā)水凝膠以模擬體內(nèi)細(xì)胞外基質(zhì)時，應(yīng)考慮幾個基本特性（例如，可降解性、機械特性和細(xì)胞粘附）。 兩種類型的水凝膠源自天然（例如動物和植物）和全合成聚合物，廣泛用于調(diào)節(jié)細(xì)胞行為（例如分化、粘附、細(xì)胞間相互作用、增殖和遷移）。 這些具有明確特性的水凝膠可以整合到類器官中，促進(jìn)其在器官發(fā)育、疾病模型、藥物測試和再生醫(yī)學(xué)中的潛在應(yīng)用。

2. 定義水凝膠作為類器官培養(yǎng)基質(zhì)的基本考慮

類器官培養(yǎng)的成功主要取決于體內(nèi)器官或組織形成和功能生成所需的高度仿生動態(tài)微環(huán)境。 模仿天然 ECM 的功能特征并與常見的生物工程技術(shù)兼容是開發(fā)用于類器官培養(yǎng)的特定水凝膠時需要考慮的基本標(biāo)準(zhǔn) 。 在本節(jié)中，我們從生物信號、生物物理線索和交聯(lián)策略方面描述了構(gòu)建特定水凝膠的一些基本考慮因素，這些因素可以優(yōu)化水凝膠配方，以提高復(fù)制體內(nèi)微環(huán)境的保真度并提供更可靠的表示 器官行為。

2.1. 生化信號傳導(dǎo)

一般來說，天然ECM由各種蛋白質(zhì)、多糖和生長因子組成，它們具有生物活性位點，可以使細(xì)胞粘附、降解和激活某些信號通路（圖2）。 因此，定義的水凝膠應(yīng)設(shè)計為包含關(guān)鍵的生物活性或功能基團(tuán)，以支持嵌入細(xì)胞的生長和自組裝，從而最終形成類器官。

圖 2. 設(shè)計模擬 ECM 的水凝膠時考慮的代表性生化特性（A）。用于改善粘附依賴性細(xì)胞行為的 RGD 綴合水凝膠示意圖。MMP 松開水凝膠以使免疫細(xì)胞能夠滲透并降解絲素蛋白水凝膠的示意圖）（C）。骨形態(tài)發(fā)生蛋白 2 (BMP-2) 整合到水凝膠中以加速骨再生的示意圖。

2.2. 生物物理線索

水凝膠是具有3D親水網(wǎng)絡(luò)的水性聚合物，具有膨脹和多孔特性，允許小分子和親水生物大分子擴散，作為細(xì)胞培養(yǎng)的合格基質(zhì)。除了成分補充之外，確定的水凝膠還應(yīng)該為類器官的形成和發(fā)育提供機械線索和幾何指導(dǎo)（圖3）。

圖 3. 設(shè)計模擬 ECM 的水凝膠時考慮的代表性生物物理特性。 使用不同硬化時間的藻酸鹽水凝膠示意圖來分析動態(tài) ECM 硬度變化對 MSC 旁分泌功能的影響。使用 PEG 圖案基質(zhì)在幾何上限制人類多能干細(xì)胞集落并在空間上呈現(xiàn)機械應(yīng)力來模擬此類事件的體外建模示圖。一種新型液滴微流體系統(tǒng)的示意圖，用于一步制造混合水凝膠膠囊，能夠以可重復(fù)和高通量的方式進(jìn)行 hiPSC 衍生類器官的 3D 培養(yǎng)和生長。在多孔板底部創(chuàng)建微工程水凝膠薄膜的示意圖允許在同一焦平面上的預(yù)定位置同時衍生出數(shù)千個均勻的類器官。

3. 特定水凝膠在類器官研究中的應(yīng)用

將特定的水凝膠納入類器官中，為組織工程和疾病建模領(lǐng)域帶來了重大進(jìn)展。 通過對組織結(jié)構(gòu)和細(xì)胞信號傳導(dǎo)進(jìn)行精確控制，特定的水凝膠使研究人員能夠更準(zhǔn)確地模擬體外各種器官的復(fù)雜微環(huán)境。 與傳統(tǒng)的動物模型和單層培養(yǎng)物相比，在特定水凝膠中生長的類器官在生物醫(yī)學(xué)研究中提供了有吸引力的器官型模型。 此外，使用明確的水凝膠可以幫助控制類器官結(jié)構(gòu)、表型和細(xì)胞組成的高度可變性，進(jìn)一步將其應(yīng)用擴展到更廣泛的器官發(fā)育、疾病研究、藥物測試和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域（圖4）。

5 結(jié)論與展望

類器官技術(shù)的發(fā)展為體外復(fù)制人體組織和器官作為基礎(chǔ)生物學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)研究的先進(jìn)工具帶來了機會。 現(xiàn)有矩陣的復(fù)雜成分和不確定性質(zhì)給該概念的實現(xiàn)帶來了許多限制。 建立類器官擴增良好生產(chǎn)規(guī)范（GMP）標(biāo)準(zhǔn)體系是臨床應(yīng)用的前提。 幾種確定的水凝膠，包括天然和合成來源，在從基本疾病模型到個性化醫(yī)療的類器官革命中顯示出了有希望的結(jié)果。 具體而言，基于單組分聚合物的天然水凝膠由于其清晰的組成和可調(diào)節(jié)的特性，有可能成為類器官轉(zhuǎn)化的理想選擇。 然而，水凝膠仍然存在一些局限性，例如機械性能差、快速降解和穩(wěn)定性低，這也刺激了直接使用全合成聚合物構(gòu)建用于類器官培養(yǎng)的明確水凝膠的探索。 上述兩種類型的特定水凝膠并不相互排斥，并且在許多具體的研究工作中通常會補充它們的優(yōu)勢，以構(gòu)建具有更豐富的機械和生化特性的類器官培養(yǎng)系統(tǒng)。

事實上，理想的類器官培養(yǎng)基質(zhì)應(yīng)該模仿 ECM 的動態(tài)特性，包括粘彈性、侵蝕速率和降解敏感性，這些特性隨著細(xì)胞生長和分化而變化。 隨著材料科學(xué)和加工技術(shù)的突破，這些正在成為現(xiàn)實。 將一些刺激響應(yīng)（如溫度、離子、pH 和光）成分集成到用于類器官培養(yǎng)的水凝膠 3D 網(wǎng)絡(luò)中，可以更好地模擬體內(nèi)不斷變化的微環(huán)境。 其中，光正在成為最有前途的刺激，它可以提供劑量可調(diào)性、波長正交性和高時空可控性。 最近，光異構(gòu)化是設(shè)計具有光響應(yīng)的特定水凝膠支架的一種有吸引力的方法。 偶氮苯是典型的光致變色分子，在可見光下為反式異構(gòu)體，在紫外光下可轉(zhuǎn)變?yōu)轫樖疆悩?gòu)體。 這種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變是可逆的，這使得分子交聯(lián)的水凝膠能夠響應(yīng)光刺激而可逆地硬化或軟化。 此外，為了構(gòu)建 3D 生物人工器官，需要擴大類器官的大小和復(fù)雜性。 在模仿器官組織結(jié)構(gòu)時，解決有關(guān)可重復(fù)性、自動化和標(biāo)準(zhǔn)化的一些問題變得至關(guān)重要。 在特定的水凝膠中使用一些工程方法，例如微成型、微流體和 3D 打印，可以幫助克服類器官生產(chǎn)中大規(guī)模組織尺寸、精確結(jié)構(gòu)和自動化的限制。 此外，將特定的水凝膠與更多功能性信號線索（例如我們在開頭提到的那些生化和生物物理特性等）相結(jié)合，也可能是為特定的利基定制特定類器官的重要機會。 我們設(shè)想有一天，類器官細(xì)胞可以根據(jù)用戶需求，通過定制的“現(xiàn)成的”限定水凝膠直接轉(zhuǎn)化為特定的組織或器官，而無需添加各種誘導(dǎo)因子或補充更繁瑣的操作流程。