Synthetische extrazelluläre Matrizes mit nichtlinearer Elastizität regulieren die zelluläre Organisation

Eine der Versprechungen synthetischer Materialien in der Zellkultivierung ist, dass die Kontrolle über ihre molekularen Strukturen letztendlich genutzt werden kann, um ihre biologischen Prozesse zu steuern. Synthetische Polymerhydrogele aus Polyisocyaniden (PIC) sind eine neue Klasse minimaler synthetischer Biomaterialien für die dreidimensionale Zellkultivierung. Die makromolekularen Längen und Dichten der biofunktionalen Gruppen, die das Polymer schmücken, können leicht manipuliert werden, während die intrinsischen nichtlinearen Mechaniken, ein Merkmal, das häufig von faserigen biologischen Netzwerken gezeigt wird, erhalten bleiben. In dieser Arbeit schlagen wir die Verwendung von PIC-Gelen als Zellkulturplattformen mit entkoppelten mechanischen Eingaben und biologischen Signalen vor. Zu diesem Zweck wurden verschiedene Zelltypen in PIC-Gele mit maßgeschneiderten Kompositionen, die systematisch in der Dichte des adhäsiven Peptids (GRGDS), der Polymerlänge und der Konzentration variieren; wobei die letzten beiden Parameter die Gelmechanik steuern. Sowohl Krebs- als auch glatte Muskelzellen wuchsen in multicellulären Sphäroiden mit Proliferationsraten, die von der adhäsiven GRGDS-Dichte abhängen, unabhängig von der Polymerlänge, was darauf hindeutet, dass für diese Zellen der biologische Input über den mechanischen Hinweisen steht. Im Gegensatz dazu bilden humanadipositas-abgeleitete Stammzellen keine Sphäroide, sondern breiten sich aus. Wir stellen fest, dass die morphologischen Veränderungen stark von der Dichte des adhäsiven Liganden und der Netzwerkmechanik abhängen; Gele mit den höchsten GRGDS-Dichten und der stärksten Versteifungsreaktion auf Stress zeigen die stärkste Ausbreitung. Unsere Ergebnisse heben die Rolle der nichtlinearen Mechanik der extrazellulären Matrix und ihrer synthetischen Nachahmungen in der Regulierung von Zellfunktionen hervor.