仿生弹性蛋白-胶原杂化水凝胶经高能电子交联：迈向可调控的肺体外细胞外基质模型

本研究针对肺细胞外基质(ECM)在多种疾病中的关键作用，开发了一种通过高能电子交联的3D弹性蛋白-胶原杂化水凝胶模型。研究人员系统探究了电子辐照剂量和弹性蛋白-胶原比例(ECR)对水凝胶力学性能、孔径结构及细胞相容性的影响。研究结果表明，辐照交联可显著减小孔径并提高刚度，而ECR变化主要影响孔径大小但对力学性能影响有限。多种肺相关细胞在该水凝胶上表现出良好的存活率和增殖能力，其中胎儿远端肺上皮(FDLE)细胞在ECR为3:7时表现最佳。该模型成功模拟了肺ECM的力学和组成特征，为研究肺纤维化、COPD和肺癌转移等疾病机制提供了新型实验平台。

　　

肺组织稳态和疾病进展过程中，细胞外基质(extracellular matrix, ECM)发挥着至关重要的作用。多种肺部疾病，包括肺癌转移、慢性阻塞性肺疾病(COPD)、肺纤维化以及早产儿呼吸窘迫综合征(respiratory distress syndrome, RDS)，都与ECM的力学和组成改变密切相关。特别是ECM中的关键结构蛋白——弹性蛋白(elastin)和胶原蛋白(collagen)，它们的比例变化直接影响着肺组织的机械特性。然而，传统的二维(2D)体外模型难以模拟体内复杂的细胞-ECM相互作用，而动物模型又存在与人类解剖结构的显著差异，这阻碍了对疾病机制的深入理解。

为了解决这一难题，来自莱比锡大学的研究团队在《Materials Chemistry and Physics》上发表了一项创新性研究。他们开发了一种仿生弹性蛋白-胶原杂化水凝胶系统，采用高能电子交联技术，成功构建了可调控的肺体外ECM模型。这项研究不仅为理解肺疾病机制提供了新的实验平台，也为药物筛选和个性化医疗带来了新的希望。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先建立了弹性蛋白-胶原水凝胶合成体系，使用来自大鼠尾巴和牛皮肤的I型胶原混合物，与水溶性牛颈韧带弹性蛋白按特定比例混合；其次利用10 MeV线性电子加速器进行高能电子辐照交联，剂量范围为10-60 kGy；通过荧光显微镜和三维成像技术进行水凝胶孔径分析；采用单轴压缩和拉伸实验测定力学性能；使用多种肺相关细胞系(A549、Calu-3、RLE-6TN)和原代胎儿远端肺上皮(FDLE)细胞进行生物相容性评估，其中FDLE细胞来自妊娠20-21天的Sprague Dawley胎鼠；最后通过细胞迁移实验分析细胞侵袭能力。

3.1. 单轴压缩和拉伸变形下的弹性蛋白-胶原水凝胶

研究人员通过单轴力学测试发现，电子辐照剂量显著影响水凝胶的力学性能。在压缩实验中，60 kGy辐照剂量的水凝胶杨氏模量达到52.2±6.7 kPa，显著高于其他剂量组。拉伸实验显示类似的趋势，但整体模量值高于压缩实验，表明水凝胶存在明显的力学模式差异。变形速度实验揭示了水凝胶的粘弹性特性，而不同弹性蛋白-胶原比例(ECR)对力学性能影响不显著，但拉伸与压缩测试之间存在显著差异。

3.2. 弹性蛋白-胶原纤维网络和孔径分析

通过三维成像技术分析发现，电子辐照显著影响水凝胶的孔径结构。未辐照的水凝胶平均孔径为7.73±0.05 μm，随着辐照剂量增加，孔径逐渐减小，60 kGy时降至4.66±0.07 μm。胶原浓度增加导致孔径减小，3 mg·ml^-1浓度时的孔径(5.24±0.04 μm)显著小于1 mg·ml^-1浓度(5.81±0.04 μm)。ECR变化影响孔径大小，ECR为3:7时的孔径(6.26±0.11 μm)显著大于1:9比例(5.40±0.05 μm)。

3.3. 弹性蛋白-胶原水凝胶的生物相容性

生物相容性实验表明，所有测试细胞在辐照后的水凝胶上都表现出良好的存活率。细胞系(A549、Calu-3、RLE-6TN)的存活率达到85-90%，原代FDLE细胞的存活率在ECR为3:7时最高(63.8±3.1%)。细胞增殖实验显示，A549细胞在ECR为3:7时增殖最佳(28.0±1.2%)，而FDLE细胞由于终末分化特性，表现出细胞数量减少的现象。

3.4. 细胞侵入弹性蛋白-胶原水凝胶

细胞迁移实验发现，细胞大小相对于水凝胶孔径是影响侵入能力的关键因素。直径较小的RLE-6TN(约10 μm)和FDLE细胞(约15 μm)能够成功侵入孔径约7 μm的水凝胶网络，而较大的A549(约30 μm)和Calu-3细胞(约45 μm)则主要停留在表面。这表明水凝胶的孔径结构对细胞行为具有重要调控作用。

研究讨论部分强调，电子辐照通过交联和热收缩两种机制影响水凝胶结构。在10-50 kGy剂量范围内，主要发生交联反应，而60 kGy时可能出现蛋白质变性导致的进一步收缩。弹性蛋白主要通过形成胶原纤维束间的交联来影响网络结构，而胶原浓度直接决定纤维密度和孔径大小。

这项研究的重要意义在于成功开发了一种可精确调控的肺ECM体外模型，能够模拟不同病理状态下ECM的力学和组成特征。通过调节辐照剂量和ECR比例，可以创建适用于研究COPD、肺纤维化、肺癌转移以及早产儿肺发育等多种疾病条件的实验平台。特别是对原代FDLE细胞的研究结果，为了解早产儿肺发育异常和机械通气相关损伤机制提供了重要线索。

未来研究方向包括进一步阐明电子辐照诱导的交联机制，开发共培养系统模拟肺组织多细胞环境，以及将此类水凝胶应用于器官oid培养和药物筛选平台。这项技术为个性化医疗和精准医学研究提供了新的工具，有望在肺疾病机理研究和治疗策略开发中发挥重要作用。