一种仿生缓冲水凝胶支架，用于患者来源的肿瘤类器官的长期培养

《Advanced Healthcare Materials》：A Biomimetic Buffering Hydrogel Scaffold for Long-Term Culture of Patient-Derived Tumor Organoids

　　患者来源的肿瘤类器官（PDTOs）在体外模型中用于癌症研究和药物筛选，但传统水凝胶无法维持肿瘤微环境的酸碱平衡。本研究开发了一种内置组氨酸缓冲功能的水凝胶（EKGel-H），通过醛基纤维素纳米晶体（a-CNCs）与明胶共价交联，结合组氨酸的质子缓冲能力，有效维持pH在6.5-6.9的生理范围内。实验证明，EKGel-H在21天培养中保持机械稳定性和结构完整性，显著提升PDTOs的增殖活性（Ki-67阳性细胞增加80%），并通过动态光散射和红外光谱验证了缓冲性能。该水凝胶为长期类器官培养和药物递送提供了新平台。

　　
患者来源肿瘤类器官（PDTOs）作为体外癌症模型的研究近年来取得了显著进展，尤其在药物筛选和肿瘤微环境模拟方面。然而，传统水凝胶材料存在两大核心问题：一是无法有效维持肿瘤微环境的酸碱平衡（pH 6.5–6.9），二是长期培养中水凝胶结构易受酸化影响而降解。这直接导致PDTOs在非生理pH条件下生长受限，无法真实反映肿瘤演进过程中的动态变化。针对上述挑战，本研究开发了一种具有内源性缓冲功能的生物仿生水凝胶（EKGel-H），通过整合化学与生物材料特性，实现了对肿瘤类器官生长环境的精准调控。

### 水凝胶设计原理与材料创新
研究团队基于纤维素纳米晶体（CNCs）的天然纤维结构特性，构建了新型水凝胶骨架。通过氧化改性将CNC表面引入醛基，利用明胶的氨基与醛基发生Schiff碱反应形成交联网络。这一设计不仅赋予材料高机械强度（压缩模量达300–500 kPa），还实现了纤维直径的精准调控（20–40 nm）。为解决传统水凝胶的pH不稳定性问题，研究创新性地将组氨酸分子共价修饰到CNC表面。组氨酸的咪唑基团（pKa≈6.1）在pH 5.5–7.4范围内表现出显著缓冲能力，可有效中和肿瘤代谢产生的乳酸等酸性物质，维持微环境pH稳定。

### 关键性能验证
1. **动态pH调节能力**
通过对比实验发现，传统水凝胶（EKGel）在21天培养后pH下降达1.5个单位（从7.5降至6.0），而EKGel-H的pH波动仅±0.3。这种差异源于组氨酸分子对H?的动态吸附/解吸机制，使其在酸性环境（pH 5.5）下仍能保持75%以上的缓冲效率，而普通水凝胶在pH<6.8时缓冲能力急剧下降。

2. **结构稳定性增强**
红外光谱（FTIR）分析显示，EKGel-H中Schiff碱（C=N）特征峰强度稳定，而EKGel在酸化环境下出现显著降解（24天时交联密度下降73%）。扫描电镜（SEM）证实，EKGel-H的纤维网络完整度保持超过95%，而EKGel的纤维直径平均缩小30%，出现明显裂纹。

3. **细胞行为调控**
3D共聚焦成像显示，EKGel-H包裹的PDTOs呈现更均匀的球状结构（圆形度提升1.9倍），且细胞增殖活性显著增强（Ki-67阳性率45% vs 25%）。这种效应源于双重机制：首先，稳定的pH环境促进细胞外基质（ECM）蛋白的合成与重排；其次，纤维网络中的动态交联点为细胞提供了可调控的机械刺激（杨氏模量匹配天然ECM的弹性范围）。

### 技术突破与应用前景
1. **材料体系创新**
通过表面化学改性将生物活性分子（组氨酸）直接引入纳米纤维素骨架，解决了传统pH敏感水凝胶（如 hydrazone 交联材料）的化学稳定性问题。该设计使水凝胶在维持纤维结构的同时，具备与体内ECM相近的酸碱缓冲特性。

2. **长期培养可行性**
在21天连续培养中，EKGel-H成功维持了细胞生长所需的稳定微环境，而对照材料EKGel在第14天即出现明显体积收缩（体积减少38%）。这种耐酸化特性为研究肿瘤耐药机制提供了时间窗口（延长至36天以上）。

3. **药物递送系统兼容性**
水凝胶的pH稳定性使其能够与抗体偶联药物（ADCs）协同作用。实验表明，在EKGel-H中，pH敏感型ADC的释放效率比普通水凝胶提高2.3倍，同时药物与靶点的结合能力保持稳定。

### 研究局限与未来方向
尽管该水凝胶在机械性能（储能模量G'≈130–220 Pa）和生物相容性方面取得突破，但仍存在组氨酸分子密度与材料强度的平衡问题（当组氨酸含量超过12 mmol/g时，杨氏模量下降45%）。未来研究可考虑引入多层复合结构，例如在CNC骨架外层包覆壳聚糖膜，既增强机械强度又保留缓冲功能。此外，开发智能响应型水凝胶（如光控或热响应型）将进一步提升对肿瘤微环境的动态模拟能力。

### 总结
本研究通过材料基因组学策略，成功将天然ECM的缓冲机制（组氨酸分子）与合成水凝胶的力学性能（CNC纤维网络）相结合，解决了肿瘤类器官培养中的核心瓶颈问题。该技术为构建类器官药物反应器、肿瘤进化模型和ADC优化平台提供了新的解决方案，标志着生物材料在精准肿瘤学中的应用进入新阶段。