Gewebenachahmende Hydrogele treiben die Zellreprogrammierung durch Matrixumbau voran

Die mechanischen Eigenschaften der Gewebematrix sind entscheidend für die Aufrechterhaltung der Zellgesundheit und -funktion. Mit zunehmendem Alter verliert die Gewebematrix ihre mechanische Integrität und weist veränderte biophysikalische Eigenschaften auf, die eng mit verschiedenen Krankheiten verbunden sind, darunter neurodegenerative Erkrankungen und Krebs. Während Wissenschaftler die Bedeutung der mechanischen Eigenschaften der Matrix erkannt haben, bleibt es ein ungelöstes Rätsel, ob die Zellgesundheit durch Nachahmung der mechanischen Mikroumgebung gesunder Gewebe aufrechterhalten oder wiederhergestellt werden kann.

Die herkömmliche Neuprogrammierung von Zellen beruht in erster Linie auf biochemischen Faktoren oder Gen-Editing-Technologien, diese Methoden können jedoch Nebenwirkungen außerhalb des Ziels oder tumorerzeugende Risiken haben. Obwohl neuere Studien gezeigt haben, dass bestimmte mechanische Signale die Neuprogrammierung von Zellen unterstützen können, fehlt eine Materialplattform, die gleichzeitig sowohl die viskoelastischen als auch die nichtlinear-elastischen Eigenschaften nativer Gewebe nachahmen kann. Native Gewebematrix besitzt sowohl viskoelastische als auch nichtlineare elastische Eigenschaften, bestehende synthetische oder natürliche Hydrogele ahmen jedoch hauptsächlich nur eine dieser Eigenschaften nach. Diese Einschränkung behindert ein tieferes Verständnis der Rolle der gewebemechanischen Mikroumgebung bei der Aufrechterhaltung der Zellfunktion.

Innovativer technologischer Durchbruch

Um diese Einschränkungen zu überwinden, entwickelte das HUST-Team ein einzigartiges Alginat-Kollagen-Interpenetrating-Network (IPN)-Hydrogelsystem mit der Bezeichnung „gewebeähnliches Hydrogel“. Dieses innovative Design kombiniert geschickt die nichtlinearen elastischen Eigenschaften von Kollagennetzwerken mit dem viskoelastischen Scherverdünnungsverhalten von Alginatnetzwerken. Durch die Anpassung der Calciumionen-Vernetzungskonzentrationen konnte das Forschungsteam den anfänglichen Speichermodul des Hydrogels präzise steuern und gleichzeitig konsistente Kollagen- und Alginatkonzentrationen aufrechterhalten und so die mechanischen Eigenschaften von Geweben unterschiedlichen Alters nachahmen. Dieses Design erhöht die mechanische Stabilität erheblich und gewährleistet eine hohe Reproduzierbarkeit der Versuchsergebnisse.

Das wichtigste Ergebnis der Forschung ist, dass Zellen durch Matrixumbau weitreichende mechanische Wechselwirkungen erreichen können. Auf gewebeähnlichen Hydrogelen kultivierte Fibroblasten zeigten beispiellose Verhaltensmuster: Zellen breiteten sich zunächst normal auf der Hydrogeloberfläche aus und begannen dann nach 8 Stunden aufeinander zu zu wandern, um mesenchymale Aggregate zu bilden, wobei die Zellaggregation zur Reorganisation von Kollagenfasern und zur Bildung von Bündelstrukturen führte. Dieses Phänomen wurde auf reinen Kollagen- oder Alginatsubstraten nicht beobachtet, was die Bedeutung synergistischer Effekte zwischen viskoelastischen und nichtlinear-elastischen Komponenten beweist.

Entdeckung und Validierung von Mechanismen

Mithilfe von Kontraktilitätshemmern konnte das Forschungsteam nachweisen, dass eine verbesserte zelluläre Kontraktilität der Schlüsselfaktor für die Zellaggregation und -reprogrammierung ist. Wenn die zelluläre Kontraktilität gehemmt wurde, dissoziierten mesenchymale Aggregate in sich einzeln ausbreitende Zellen, die mit der Neuprogrammierung verbundene Genexpression wurde unterdrückt und die verstärkten potenziellen Differenzierungseffekte verschwanden. Dies weist darauf hin, dass die positive Rückkopplungsschleife zwischen zellulärer Kontraktilität und den mechanischen Eigenschaften der Matrix der Kernmechanismus für das Erreichen einer Neuprogrammierung ist.

Die transkriptomische Analyse zeigte den tiefgreifenden Einfluss von gewebeähnlichen Hydrogelen auf die Zellreprogrammierung. Stammgene, einschließlich mesenchymaler Stammzellmarker wie Id1, Id2, Cd36 und Cd9, wurden deutlich hochreguliert und mehrere mit der Neuprogrammierung verbundene Signalwege, einschließlich Wnt-Signalisierung, Hippo-Signalisierung und PPAR-Signalisierung, wurden aktiviert. Noch wichtiger ist, dass Gene, die sowohl mit der Adipogenese als auch mit der Osteogenese zusammenhängen, gleichzeitig hochreguliert wurden, was die traditionelle Vorstellung widerlegt, dass diese beiden Differenzierungswege sich gegenseitig hemmen. Funktionelle Validierungsexperimente bestätigten, dass auf gewebeähnlichen Hydrogelen kultivierte Zellen nach adipogener Induktion einen 2,5-fachen Anstieg der Lipidtröpfchenansammlung und nach osteogener Induktion eine signifikant erhöhte ALP-Expression zeigten.

Bahnbrechende Anwendung in der Transdifferenzierungstherapie bei Krebs

Das Forschungsteam wandte diese Technologie erfolgreich in der Krebstherapie an. Nichtkleinzellige Lungenkrebs-H1975-Zellen auf gewebeähnlichen Hydrogelen verwandelten sich von einer ausgebreiteten mesenchymalen Morphologie in einen aggregierten Zustand und differenzierten erfolgreich in adipozytenähnliche Zellen, die Adipozytenmarker wie Perilipin und PPARγ exprimierten. Unterdessen reorganisierten sich mesenchymale Stressfasern in kortikales Aktin, was auf eine Zellimmobilisierung hindeutet.

Die transkriptomische Analyse zeigte, dass Krebszellen auf gewebeähnlichen Hydrogelen kritische molekulare Veränderungen durchliefen: Gene, die mit dem epithelial-mesenchymalen Übergang in Zusammenhang stehen, wurden unterdrückt, während Gene, die mit dem mesenchymal-epithelialen Übergang (MET) in Zusammenhang stehen, aktiviert wurden; Onkogene wie EGFR, BRCA1 und CDC20 wurden herunterreguliert, während Tumorsuppressorgene wie ACSL1, GADD45G und CRB3 hochreguliert wurden. Diese molekularen Veränderungen weisen darauf hin, dass gewebeähnliche Hydrogele nicht nur die Transdifferenzierung von Krebszellen induzieren, sondern auch deren bösartige Eigenschaften umkehren können.

Klinische Bedeutung und Anwendungsaussichten

Diese Technologie hat breite Anwendungsaussichten in der regenerativen Medizin und dient als Plattform für die Ex-vivo-Expansion und Neuprogrammierung autologer Patientenzellen, um deren therapeutisches Potenzial zu steigern. Sie kann als injizierbare Gerüstmaterialien entwickelt werden, um die Zellaggregation und -differenzierung bei der Gewebereparatur zu fördern. Bei der Krebsbehandlung eröffnet diese Technologie neue Transdifferenzierungstherapiestrategien, indem sie Krebszellen in nicht-proliferative Adipozyten umwandelt, um die Tumoreigenschaften grundlegend zu verändern, und kann mit traditioneller Chemotherapie und Strahlentherapie kombiniert werden, um die Wirksamkeit der Behandlung zu verbessern.

Im Vergleich zu herkömmlichen Reprogrammierungsmethoden hat diese Technologie erhebliche Vorteile: Sie vermeidet potenzielle Off-Target-Effekte und tumorerzeugende Risiken der Genbearbeitung, erfordert keine komplexen biochemischen Faktorkombinationen oder Genvektoren, bietet eine nachhaltige Reprogrammierungsumgebung durch Matrix-vermittelte mechanische Signale und zeigt Wirksamkeit bei mehreren Zelltypen. Diese Technologie kann auch als innovative Plattform für das Arzneimittel-Screening dienen und zur Untersuchung wichtiger molekularer Ziele in Zellreprogrammierungsprozessen, zur Bewertung der Auswirkungen von Arzneimittelkandidaten auf die Zelltransdifferenzierung und zur Bewertung der Arzneimittelsicherheit in Umgebungen, die näher an nativen Geweben liegen, eingesetzt werden.

Abschluss

Die vom Team von Professor Yiwei Li am HUST entwickelte gewebenachahmende Hydrogel-Technologie stellt einen großen Durchbruch auf dem Gebiet der Zellreprogrammierung dar. Indem diese Technologie zum ersten Mal eine rein mechanische, signalinduzierte Zellreprogrammierung ermöglicht, bietet sie nicht nur neue Perspektiven für das Verständnis der Rolle der mechanischen Mikroumgebung des Gewebes bei der Aufrechterhaltung der Zellgesundheit, sondern eröffnet auch neue therapeutische Möglichkeiten für die regenerative Medizin und die Krebsbehandlung. Die Kerninnovation dieser Forschung liegt in der Entdeckung des Mechanismus Matrix-vermittelter mechanischer Zell-Zell-Wechselwirkungen über große Entfernungen und der Aufdeckung der entscheidenden Rolle einer verbesserten zellulären Kontraktilität im Reprogrammierungsprozess. Diese Arbeit hat nicht nur wichtige theoretische Fortschritte gebracht, sondern auch ein enormes praktisches Potenzial aufgezeigt. Mit weiterer technologischer Verfeinerung und klinischer Translationsforschung verspricht es, wichtige Beiträge zur menschlichen Gesundheit zu leisten, insbesondere bei der Bewältigung globaler Herausforderungen im Bereich Alterung und Krebsbehandlung.

Quellen: