光聚合甲基丙烯酸酯水凝胶的循环力学加载揭示肺纤维化中应变、刚度和基质组成的互作效应

本研究针对肺纤维化进程中机械与生化信号交互作用的认知空白，开发了可动态拉伸的光聚合水凝胶平台，通过调控甲基丙烯酸酯明胶(GelMA)、透明质酸(HAMA)与非甲基丙烯酸酯明胶(Gel)的比例，模拟健康与纤维化肺组织的力学和化学特性。研究发现高刚度基质会放大应变对MMP1、CTGF、Rho/ROCK等基因表达的促进作用，而HAMA的加入能缓冲这种促纤维化响应。该研究为理解机械-生化信号协同调控肺纤维化提供了新视角，对开发靶向治疗策略具有重要意义。

　　

肺纤维化是多种急慢性肺部疾病的共同终末结局，其特征是细胞外基质(ECM)过度沉积、组织硬化及气体交换障碍。尽管机械刺激和生化因子在疾病进展中的作用已被广泛认知，但二者如何协同驱动纤维化仍存在关键知识缺口。现有体外模型往往单独研究刚度、应变或基质化学的影响，而无法模拟体内复杂的多因素互作环境。更棘手的是，纤维化肺组织中透明质酸(HA)含量显著增加，这种变化究竟会加剧还是缓解纤维化进程，目前尚无定论。

为破解这一难题，Q. Wang等研究者构建了创新的光聚合水凝胶系统，通过精确调控甲基丙烯酸酯明胶(GelMA)、甲基丙烯酸酯透明质酸(HAMA)和非甲基丙烯酸酯明胶(Gel)的比例，创建出刚度覆盖2.8-18.3 kPa（模拟健康至纤维化肺组织）且化学组成可调的基质。结合定制化生物反应器施加10%-30%的循环应变（模拟生理/病理呼吸运动），团队系统研究了正常人肺成纤维细胞(NHLFs)在多元微环境中的响应。相关成果发表在《Scientific Reports》上。

研究主要采用三大技术手段：(1)光聚合水凝胶的力学调控技术，通过改变GelMA/Gel比例和添加HAMA实现刚度与化学组成的独立控制；(2)基于图像配准的应变场分析技术，验证循环加载下应变分布的均匀性；(3)高通量基因表达分析技术，检测30个纤维化相关基因的表达谱。

结果

水凝胶力学性能可精确模拟肺组织状态

通过调整GelMA与Gel的比例，水凝胶压缩模量可从13.6 kPa（100% GelMA）线性降至2.8 kPa（50:50 GelMA:Gel）。添加10% HAMA使刚度提升34%至18.3 kPa，恰好覆盖纤维化肺组织的硬度范围（图2）。

细胞形态受基质特性显著影响

虽然所有配方均保持>95%细胞活性，但高刚度基质促进细胞铺展（图3）。特别值得注意的是，含HAMA的基质使细胞长宽比显著增加，提示透明质酸可能通过CD44受体改变细胞-基质相互作用方式（图4）。

应变场分布验证力学加载可靠性

墨水斑点追踪显示，系统能稳定产生10%和30%的峰值工程应变，且应变分布均匀（图5），为后续基因表达研究提供可靠的力学刺激环境。

纤维化基因表达呈现三重依赖性

主成分分析揭示样本按应变状态、HA存在与否和基质刚度分为三类（图6）。关键发现包括：(1)仅当施加应变时，刚度效应才显著显现，高刚度上调COL4A1、FN1等ECM沉积基因，同时抑制IL-6、CTGF等炎症因子；(2)HAMA的引入普遍抑制促纤维化基因表达，这种缓冲效应在MMP4、TGF-β1等基因中尤为突出（图7-8）。

讨论与意义

这项研究首次在单平台中整合了肺纤维化的三大驱动因素——动态应变、基质刚度和化学组成。突破性发现是：透明质酸通过可能涉及CD44的机制，抵消了刚度-应变协同的促纤维化效应。这为解释纤维化病灶中HA沉积的生物学意义提供了新视角——可能是机体对抗病理性硬化的自我保护机制。

技术层面，研究建立的GelMA-HAMA-Gel三组分系统成功解耦了刚度与配体密度的关联，克服了传统PDMS或胶原模型无法独立调控多参数的局限。从转化医学角度看，该平台特别适合用于测试靶向机械敏感通路（如Rho/ROCK或YAP）的抗纤维化药物，也为开发基于HA的基质修饰疗法提供了理论依据。未来可进一步整合患者来源的成纤维细胞，探究遗传背景对机械信号响应的调控作用。