《Advanced Materials》GelMA/DNA双网络动态水凝胶构建骨类器官

研究背景

2025年2月由上海大学类器官研究中心的苏家灿团队在“Advanced MaterialS”上发表了名为“Dynamic GelMA/DNA Dual-Network Hydrogels Promote Woven Bone Organoid Formation and Enhance Bone Regeneration“。骨类器官作为模拟天然骨结构与功能的三维模型，在骨再生、药物筛选及病理研究中具有重要价值。然而，现有基质材料因缺乏仿生力学性能（如粘弹性）和动态微环境调控能力，难以支持骨类器官的完整发育过程（如细胞自组织、矿化及血管化）。本研究通过设计动态 GelMA/DNA 双网络水凝胶（CGDE），结合共价交联与非共价相互作用，构建了适配骨类器官发育的仿生微环境，为解决骨再生领域的关键瓶颈提供了新策略。

材料设计与核心技术

双网络水凝胶的构建原理

CGDE 水凝胶通过光引发共价交联（GelMA 网络）与氢键非共价作用（DNA 与 GelMA 结合）形成双重网络结构：

GelMA 共价网络：提供力学支撑，模拟骨胶原基质的结构稳定性

用于骨组织再生的CGDE基质内编织骨类生物（WBOs）动态CGDE水解发育设计的示意图 (Zhu et al., 2025)

DNA 动态网络：通过 Y 型 DNA 支架与 GelMA 的氢键作用，赋予水凝胶粘弹性（储存模量 G'=369 Pa，损耗模量 G''=9.74 Pa）和自修复能力。

Y形DNA的优化结构，代表GelMA的胶原样肽，以及从HDOCK分子对接获得的DNA/胶原蛋白样肽复合物 (Zhu et al., 2025)

水凝胶的储存（G′）和损失（Gʺ）模量 (Zhu et al., 2025)

CGDE水凝胶的自我修复行为 (Zhu et al., 2025)

功能化修饰：

引入线粒体仿生矿物（EACP）诱导成骨分化；

嫁接过氧化氢酶（CAT）清除活性氧（ROS），改善炎症微环境。

荧光图像显示不同条件下BMSCs的细胞内ROS生成，ROS阳性细胞百分比的流式细胞测量分析，右上角的数字表示ROS阳性细胞的比例 (Zhu et al., 2025)

仿生微环境的多维度表征

微观结构：

冷冻扫描电镜（Cryo-SEM）显示，CGDE 水凝胶具有多级孔隙（20-60 μm），EACP 均匀分布于孔壁，DNA 的加入增强了基质的纤维交织度。

各种放大镜下GM、CG、CGE和CGDE水凝胶的冷冻SEM显微照片 (Zhu et al., 2025)

力学性能：

应力松弛测试表明，CGDE 水凝胶在 5% 应变下的残余应力仅为 CGE 水凝胶的 5%，动态响应能力显著优于传统水凝胶。

压力松弛测试和水凝胶的正常化曲线5%应变 (Zhu et al., 2025)

生物相容性：

CCK8 实验显示，BMSCs 在 CGDE 中培养的存活率高，肌动蛋白（F-actin）染色显示细胞铺展良好。

编织骨类器官（WBO）的发育与功能验证

类器官的体外发育进程

阶段 I（0-7 天）：细胞增殖阶段，BMSCs 聚集成球形簇，OSX（成骨前体细胞标志物）开始表达。

阶段 II（14 天）：细胞自组织期，形成分支状网络，RUNX2（成骨转录因子）表达上调，启动胶原分泌。

阶段 III（21 天）：矿化成熟期，ALP 活性达峰值，茜素红染色显示大量矿化结节，Micro-CT 证实骨体积分数（BV/TV）和骨密度（BMD）显著高于对照组。

阶段 IV（30 天）：基质重塑期，部分水凝胶降解，诱导细胞向终末分化，形成类似天然编织骨的无序矿化结构。

WBO不同阶段发展的示意图，以及对应的宏观图像和细胞形态学 (Zhu et al., 2025)

体内骨再生能力评估

异位成骨实验（裸鼠皮下植入）：

培养 21 天的 WBO 在 4 周后形成血管化矿化组织，CD31 阳性血管密度较对照组增加 60%，BV/TV 和 BMD 分别达 0.986 和 128 HU。

颅骨缺损修复（大鼠模型）：

Micro-CT 显示，CGDE-WBO 组在术后 12 周实现缺损区 50% 以上新骨形成，新骨与宿主骨整合处可见板层骨结构，H&E 染色证实编织骨向板层骨的转化。

治疗后4周和12周对不同治疗组的微CT分析的3D重建和横截面伪彩色图像，说明CGDE-21Cat4周的成功骨整合。从面板中的Micro-CT数据（c）（n = 6，**p < 0.01，***p < 0.0001，****p < 0.0001）中对BV/TV进行定量分析。从面板（c）的微CT数据中对BMD进行定量分析（n = 6，**p < 0.05，**p < 0.01，***p < 0.0001，****p < 0.0001）。H&E，4周后不同组治疗组的不同石蜡组的OSX和COL-1的免疫荧光染色 (Zhu et al., 2025)

机制解析与信号通路调控

力学 - 生物学耦合机制

MAPK 信号激活：粘弹性基质通过整合素受体激活 MEK/ERK 通路，促进细胞骨架延伸（F-actin/DAPI 面积比增加 3 倍）和基质分泌（COL-1 表达上调 2 倍）。

ROS 平衡调控：CAT 的引入使细胞内 ROS 阳性率从 LPS 刺激后的 45% 降至 12%，同时上调 VEGF 表达，促进内皮细胞管状结构形成。

转录组学特征

差异基因分析显示，CGDE-WBO 中富集ECM 组织（如 COL1A1）、膜内成骨（如 ALP）和血管发育（如 COL3A1）相关基因，并下调炎症通路（如 Ccl2、Ifit2）。

GSEA 分析证实，CGDE-WBO 通过激活 JAK-STAT 通路维持细胞代谢稳态，同时抑制适应性免疫反应以促进宿主整合。

研究创新与学术价值

方法论突破

动态基质设计：首次将 DNA 的氢键动态特性与 GelMA 的力学稳定性结合，构建了可实时响应细胞行为的仿生微环境。

类器官成熟度提升：通过调控粘弹性和矿化信号，使 WBO 在体外重现天然骨发育的时空进程（从编织骨到板层骨），突破了传统静态支架的限制。

应用转化前景

骨修复材料：CGDE-WBO 可作为 “活体支架” 用于复杂骨缺损修复，其自适应性和血管化能力显著优于传统生物材料。

药物筛选平台：标准化的 WBO 模型可用于评估成骨药物（如 BMPs）或骨科植入物的长期安全性，减少动物实验依赖。

关于赛箔生物

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