水凝胶，登上Nature Reviews Chemistry！|凝胶|水凝胶|组分|细胞

近年来，人们做出了大量努力，旨在利用各种分子成分构建人工细胞，以模仿生物系统中的过程、行为和结构。人工细胞开发的最终目的是构建模型结构，以提高我们对生物学的理解，并为功能性仿生装置奠定基础，这些装置可用于药物递送、生物传感、细胞治疗和生物修复等领域。通常，人工细胞依赖于双层膜底盘，并具有流体-水内部以模拟生物细胞。然而，为了更准确地复制细胞内和细胞外生物环境的凝胶样特性，人们越来越努力地构建基于水凝胶的细胞模拟物。这使研究人员能够利用水凝胶的一些独特功能特性，这些特性已被应用于组织工程、生物材料和药物递送等领域。

日前，伦敦帝国理工学院Yuval Elani探讨了如何在人工细胞开发的背景下利用水凝胶，并综述了如何将水凝胶潜在地结合到下一代人工细胞中，以设计、构建改进的生物模拟物和功能化的微系统。该综述以“Hydrogels as functional components in artificial cell systems”发表在《Nature Reviews Chemistry》。

文章要点

一、人工细胞的创建

人工细胞（合成细胞或原细胞）是在形式、功能或行为上模仿生物细胞的结构。近年来，人们对细胞生物学的理解不断加深，以及在微尺度上构建和操纵生物材料和仿生材料的能力，导致了这一研究领域的显著增长。从头开始创造活细胞的挑战可以被视为合成生物学的最终目标之一。在这一领域有三类动机驱动研究：（1）回答有关生命起源的问题，（2）通过复制基本生物过程，使用体外细胞模型在简化和高度受控的环境中理解生物学过程，（3）设计使用生物模块的可编程细胞样微型机器，用于临床和工业环境中。这种自下而上的合成生物学方法与图1a所示的自上而下的活动形成对比，其中包括努力修饰现有生物细胞以阐明生物机制并赋予生物技术上有用的新功能。

目前，使用自下而上方法创建的大多数人工细胞都依赖于仿生囊泡底盘来创建适合复制生物过程和功能的环境，例如分隔、细胞骨架的并入、生长、运动、群体之间的通信和外部环境的感测（图1b）。用作合成细胞底盘的其他系统基于聚合物膜（多聚体）或无膜结构，如凝聚体和蛋白质体。由于水凝胶结构在生命起源中的潜在作用，水凝胶结构逐渐成为合成细胞的基础，此外，水凝胶已广泛应用于其他生物和医学领域，它们是智能生物材料、组织工程、细胞培养、传感器、药物输送和基因治疗进步的基础。因此，水凝胶作为人工细胞内的组分具有巨大的潜力，并为实现关键的生物和生物技术功能提供了令人振奋的途径。

图1.人工细胞的创建方法和人工细胞系统的重要功能。

二、水凝胶系统的基本性质

水凝胶通常被定义为互连的3D分子网络，其中包含高密度的官能团，能够吸收和保留大量水。因此，在有水的情况下，水凝胶膨胀并含有与网络结合程度不同的水。至关重要的是，水凝胶保持包含结合水和自由水的网络结构的能力使其能够在水含量方面模拟生物结构，并使水和溶质扩散。在自下而上的合成生物学中，大多数水凝胶是由聚合物构成的，尽管也可以使用超分子物质和胶体。目前，多种具有合成或天然成分的材料可用于产水凝胶网络，其选择还影响用于创建3D结构的交联方法。其中，化学交联水凝胶往往提供更大的机械稳定性，相反，物理交联水凝胶通过多种分子间相互作用形成，如静电力、氢键和疏水相互作用。此外，水凝胶还能够根据其结构提供广泛的刺激响应，例如，水凝胶网络的膨胀、收缩或降解。

图2.水凝胶系统用于模拟真核细胞特征

在水凝胶的生物学性质方面，人工细胞构建依赖于使用能够复制所需细胞特征的形式和功能的材料，如图2所示。水凝胶的凝胶性质及其通过结构改变而具有广泛物理性质的能力，使其能够用于近似许多生物结构的物理性质，以及动态响应和适应环境线索，与生物材料不同，例如水凝胶已被用于模拟细胞核、细胞外基质、细胞骨架和细胞质（图2）。此外，水凝胶除了能够通过其核心成分复制基本的生物学特性和功能外，还被设计用于生产从宏观到纳米尺度越来越复杂的结构（图3）。

图3.水凝胶系统所能够形成了多种结构

三、工程仿生细胞行为

水凝胶除了可以构建人工细胞组分外，各种水凝胶功能还可用于复制关键的人工细胞行为，如生长、通讯、分隔和传感。水凝胶作为人工细胞隔室，常用于人工细胞中，以赋予结构和区域化，从而实现细胞外和细胞内行为。生物细胞由许多内部细胞器组成，如细胞核，可通过较大的细胞模拟物内的水凝胶结构轻易模拟（图4a）。并且，不同的水凝胶隔间使原本在同一化学空间中不相容的反应得以发生（图4b）。表明空间分离的水凝胶组分可以相互作用并产生系统级串联反应，这是复制细胞行为的关键步骤。