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DNA编码粘弹性动态基质，实现细胞和类器官培养
超分子水凝胶是由非共价键连接的三维(3D)分子网络。它们的动态特性使其具有独特的特性，如刺激响应性和自愈性。含有自组装DNA的水凝胶特别有趣，因为DNA的序列选择性识别使复杂可重构材料的模块化构建成为可能。利用DNA纳米技术的原理，这些系统的性质可以被编程并在情境中动态变化。在其众多应用中，基于DNA的水凝胶可以支持3D细胞培养，例如，研究发育生物学机制，重现病理和开发(个性化)治疗。
基于此，德国德累斯顿莱布尼茨高分子研究所E. Krieg教授报道了基于DNA文库的全合成水凝胶，这些DNA文库与超高分子量聚合物自组装，形成动态的DNA交联基质(DyNAtrix)。DyNAtrix使计算可预测以及通过改变DNA序列信息对其粘弹性、热力学和动力学参数进行系统控制。可调节的热激活使哺乳动物细胞均质包埋。有趣的是，应力松弛时间可以调节到4个数量级，重现了活体组织的力学特性。DyNAtrix具有自修复、可打印、高稳定性、细胞相容性和血液相容性以及可控降解等优点。基于dynatrix培养的人间充质基质细胞、多能干细胞、犬肾囊肿和人滋养层类器官显示出较高的活力、增殖和形态发生。因此，DyNAtrix代表了一个可编程的和通用的精密矩阵先进的方法，生物力学，生物物理学和组织工程。相关工作以“Dynamic matrices with DNA-encoded viscoelasticity for cell and organoid culture”发表在《Nature nanotechnology》。
图1. DyNAtrix的基本概念和交联剂设计
材料概念
研究者首先合成了3个衍生物，P1, P5和P10，平均每个骨架上分别有3, 20和28条共价连接的DNA链(图1a)。这些DNA链作为基于DNA的交联剂模块的非共价连接的通用锚定位点。因此，单个聚合物批次可用于组装具有极大不同性质的材料。在细胞培养研究中，含有精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(RGD)基序的合成肽被连接到骨架上，以促进细胞黏附和机械信号传导。经RGD接枝的衍生物������������5和������������10与无肽的衍生物具有相似的分子量。
图2. CCL交联DyNAtrix的理论预测及流变学验证
CCL控制网络形成和矩阵刚度
统计模拟说明了CCL复杂性和每个聚合物的锚链数量如何影响交联效率(图2a)。为了抑制80%的分子内交联，预测P1, P5和P10分别需要4, 40和60对夹板。研究者首先用包含1、4、16、64或256对夹板(CCL-1到CCL-256)的CCL文库对P5进行补充。在较宽的频率和应变范围内，弹性模量(G’)大大超过了损耗模量(G″)，证实了双板CCL与UHMW聚合物结合后产生稳定的凝胶。CCL复杂性的增加逐渐提高了交联效率，从28% (CCL-1)提高到76% (CCL-64)， CCL-64库尺寸没有进一步增加(图2c)，这与预测结果很一致(图2a)。
图3. 热可逆性，自我修复，生物打印和可调应力松弛的DyNAtrix
正如预期的那样，DyNAtrix经历了热可逆的溶胶-凝胶转变(图3a)。其熔点随着CCL复杂度的增加而降低，从65 ℃ (CCL-1)降低到53 ℃ (CCL-256)，因为每个不同夹板对的浓度随着库复杂度的增加而降低。观察到的基质熔化的变化与最邻近的重叠序列的热力学预测非常一致。
图4. HACs使DyNAtrix在细胞相容条件下可控凝胶化
DNA序列编码压力松弛和热激活
下一个目标是使DyNAtrix与标准的单元封装过程兼容。在经典的3D培养中，细胞分散在前体溶液中，随后开始凝胶化。例如，Matrigel溶液和细胞在4 ℃混合，然后加热到37 ℃，这在哺乳动物细胞培养的理想温度下引发凝胶化。相比之下，液化的DNA交联凝胶通常需要超过交联剂熔化温度的加热，这将对细胞造成损伤。我们最初试图通过快速混合两种预退火前体溶液来封装电池来克服这个问题(图4b，左)。然而，快速的结合动力学导致在混合完成之前快速形成交联，产生了刚度不足的非均匀基质(图4c和图4d)。
图5. DyNAtrix在细胞培养中表现出可调节的抗降解稳定性，高生物相容性和DNAse I介导的活细胞释放。
高稳定性，可调降解和生物相容性
基于DNA的凝胶容易被DNase I(一种在补充血清的培养基中常见的核酸酶)意外消化。研究者的目的是保护DyNAtrix，同时在需要时保留受控酶修饰的选项。研究者首先测试了DyNAtrix在含有胎牛血清(FBS)的培养基中的稳定性，发现在48小时内确实发生了实质性的降解。然后我们测试了肌动蛋白的作用，已知肌动蛋白可以抑制DNase I。利用荧光标记的DNA模拟靶，我们证明了肌动蛋白可用于调节DNase I的消化速率(图5a)。50 µg mL-1的浓度足以抑制凝胶降解48小时(图5b)，80 µg mL-1的浓度几乎完全抑制了DNase I，使DyNAtrix在细胞培养实验中保存至少2周。添加柠檬酸盐也取得了同样有效的保护作用。然而，由于怀疑柠檬酸盐螯合钙离子会影响细胞发育，我们选择了肌动蛋白作为默认的保护策略。
【小结】
该研究结果说明了DNA纳米技术在软材料工程中对可编程、自适应、自修复和可打印的3D细胞培养基质的力量。DyNAtrix的关键特征是其在合理材料设计方面的潜力，允许研究人员将可预测的分子特性转化为宏观材料特性:ccl的复杂性决定了网络的形成(图1c和2a)，提出了在不改变聚合物或交联剂浓度的情况下优化基质弹性的根本新方法(图2c)。SRC编码(纳米)机械稳定性(图3)，允许通过仅改变交联剂序列上的几个碱基来系统地调整应力松弛。HACs显示可定制的结合动力学(图4)，这对于均匀的细胞封装和与现有细胞培养工作流的无缝集成至关重要。这种高水平的控制有助于模拟复杂生物物质的许多特性，但在完全合成和成分定义的材料中，提高可重复性，并减少再生医学中的监管障碍。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41565-023-01483-3
来源：BioMed科技
转自：“高分子科学前沿”微信公众号
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