DNA水凝膠，最新Nature nanotechnology！

DNA編碼粘彈性動態基質，實現細胞和類器官培養

超分子水凝膠是由非共價鍵連接的三維(3D)分子網絡。它們的動態特性使其具有獨特的特性，如刺激響應性和自愈性。含有自組裝DNA的水凝膠特別有趣，因爲DNA的序列選擇性識別使複雜可重構材料的模塊化構建成爲可能。利用DNA納米技術的原理，這些系統的性質可以被編程並在情境中動態變化。在其衆多應用中，基於DNA的水凝膠可以支持3D細胞培養，例如，研究發育生物學機制，重現病理和開發(個性化)治療。

基於此，德國德累斯頓萊布尼茨高分子研究所E. Krieg教授報道了基於DNA文庫的全合成水凝膠，這些DNA文庫與超高分子量聚合物自組裝，形成動態的DNA交聯基質(DyNAtrix)。DyNAtrix使計算可預測以及通過改變DNA序列信息對其粘彈性、熱力學和動力學參數進行系統控制。可調節的熱激活使哺乳動物細胞均質包埋。有趣的是，應力鬆弛時間可以調節到4個數量級，重現了活體組織的力學特性。DyNAtrix具有自修復、可打印、高穩定性、細胞相容性和血液相容性以及可控降解等優點。基於dynatrix培養的人間充質基質細胞、多能幹細胞、犬腎囊腫和人滋養層類器官顯示出較高的活力、增殖和形態發生。因此，DyNAtrix代表了一個可編程的和通用的精密矩陣先進的方法，生物力學，生物物理學和組織工程。相關工作以“Dynamic matrices with DNA-encoded viscoelasticity for cell and organoid culture”發表在《Nature nanotechnology》。

圖1. DyNAtrix的基本概念和交聯劑設計

材料概念

研究者首先合成了3個衍生物，P1, P5和P10，平均每個骨架上分別有3, 20和28條共價連接的DNA鏈(圖1a)。這些DNA鏈作爲基於DNA的交聯劑模塊的非共價連接的通用錨定位點。因此，單個聚合物批次可用於組裝具有極大不同性質的材料。在細胞培養研究中，含有精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(RGD)基序的合成肽被連接到骨架上，以促進細胞黏附和機械信號傳導。經RGD接枝的衍生物5和10與無肽的衍生物具有相似的分子量。

圖2. CCL交聯DyNAtrix的理論預測及流變學驗證

CCL控制網絡形成和矩陣剛度

統計模擬說明了CCL複雜性和每個聚合物的錨鏈數量如何影響交聯效率(圖2a)。爲了抑制80%的分子內交聯，預測P1, P5和P10分別需要4, 40和60對夾板。研究者首先用包含1、4、16、64或256對夾板(CCL-1到CCL-256)的CCL文庫對P5進行補充。在較寬的頻率和應變範圍內，彈性模量(G’)大大超過了損耗模量(G″)，證實了雙板CCL與UHMW聚合物結合後產生穩定的凝膠。CCL複雜性的增加逐漸提高了交聯效率，從28% (CCL-1)提高到76% (CCL-64)， CCL-64庫尺寸沒有進一步增加(圖2c)，這與預測結果很一致(圖2a)。

圖3. 熱可逆性，自我修復，生物打印和可調應力鬆弛的DyNAtrix

正如預期的那樣，DyNAtrix經歷了熱可逆的溶膠-凝膠轉變(圖3a)。其熔點隨着CCL複雜度的增加而降低，從65 ℃ (CCL-1)降低到53 ℃ (CCL-256)，因爲每個不同夾板對的濃度隨着庫複雜度的增加而降低。觀察到的基質熔化的變化與最鄰近的重疊序列的熱力學預測非常一致。

圖4. HACs使DyNAtrix在細胞相容條件下可控凝膠化

DNA序列編碼壓力鬆弛和熱激活

下一個目標是使DyNAtrix與標準的單元封裝過程兼容。在經典的3D培養中，細胞分散在前體溶液中，隨後開始凝膠化。例如，Matrigel溶液和細胞在4 ℃混合，然後加熱到37 ℃，這在哺乳動物細胞培養的理想溫度下引發凝膠化。相比之下，液化的DNA交聯凝膠通常需要超過交聯劑熔化溫度的加熱，這將對細胞造成損傷。我們最初試圖通過快速混合兩種預退火前體溶液來封裝電池來克服這個問題(圖4b，左)。然而，快速的結合動力學導致在混合完成之前快速形成交聯，產生了剛度不足的非均勻基質(圖4c和圖4d)。

圖5. DyNAtrix在細胞培養中表現出可調節的抗降解穩定性，高生物相容性和DNAse I介導的活細胞釋放。

高穩定性，可調降解和生物相容性

基於DNA的凝膠容易被DNase I(一種在補充血清的培養基中常見的核酸酶)意外消化。研究者的目的是保護DyNAtrix，同時在需要時保留受控酶修飾的選項。研究者首先測試了DyNAtrix在含有胎牛血清(FBS)的培養基中的穩定性，發現在48小時內確實發生了實質性的降解。然後我們測試了肌動蛋白的作用，已知肌動蛋白可以抑制DNase I。利用熒光標記的DNA模擬靶，我們證明了肌動蛋白可用於調節DNase I的消化速率(圖5a)。50 µg mL-1的濃度足以抑制凝膠降解48小時(圖5b)，80 µg mL-1的濃度幾乎完全抑制了DNase I，使DyNAtrix在細胞培養實驗中保存至少2周。添加檸檬酸鹽也取得了同樣有效的保護作用。然而，由於懷疑檸檬酸鹽螯合鈣離子會影響細胞發育，我們選擇了肌動蛋白作爲默認的保護策略。

【小結】

該研究結果說明了DNA納米技術在軟材料工程中對可編程、自適應、自修復和可打印的3D細胞培養基質的力量。DyNAtrix的關鍵特徵是其在合理材料設計方面的潛力，允許研究人員將可預測的分子特性轉化爲宏觀材料特性:ccl的複雜性決定了網絡的形成(圖1c和2a)，提出了在不改變聚合物或交聯劑濃度的情況下優化基質彈性的根本新方法(圖2c)。SRC編碼(納米)機械穩定性(圖3)，允許通過僅改變交聯劑序列上的幾個鹼基來系統地調整應力鬆弛。HACs顯示可定製的結合動力學(圖4)，這對於均勻的細胞封裝和與現有細胞培養工作流的無縫集成至關重要。這種高水平的控制有助於模擬複雜生物物質的許多特性，但在完全合成和成分定義的材料中，提高可重複性，並減少再生醫學中的監管障礙。

https://www.nature.com/articles/s41565-023-01483-3

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