综述：用于肠道类器官的水凝胶设计：指导转化再生医学的原理

　　本综述系统探讨了利用水凝胶（Hydrogel）设计优化肠道类器官（IOs）培养体系的最新进展，重点分析了细胞-基质界面的力学生物学信号（mechanobiological signaling）对类器官表型调控的作用，涵盖了天然/合成水凝胶的分类、物化特性对IOs生长的影响，及其在疾病建模、药物筛选与再生医学中的应用前景，为仿生细胞外基质（ECM）的标准化设计提供了重要参考。

　　

水凝胶在肠道类器官培养中的核心作用

肠道类器官（Intestinal Organoids, IOs）是通过体外培养形成的自组织三维组织构建体，能够高度模拟肠道上皮的结构与功能特性。其发展依赖于具有适宜生物物理特性的细胞外基质（Extracellular Matrix, ECM）。水凝胶材料因其可调节的生化与生物物理性质（如硬度、孔隙率、黏弹性），成为优化IOs培养的关键工具。

水凝胶的分类与设计原则

水凝胶基质可分为天然来源（如Matrigel、胶原蛋白、藻酸盐）和合成类（如聚乙二醇PEG、多肽水凝胶）。天然水凝胶提供良好的生物相容性，但存在批次差异性大、机械性能不可控等问题；合成水凝胶则可通过化学修饰精确调控力学信号（如弹性模量、配体密度），提高培养的可重复性与表型稳定性。

力学生物学信号调控类器官行为

细胞-基质界面间的力学信号（如YAP/TAZ通路激活、整合素介导的黏附）直接影响IOs的增殖、分化与形态发生。较软的水凝胶（~100–500 Pa）倾向于促进干细胞维持，而较硬基质（>1 kPa）可能诱导分化表型。水凝胶的应力松弛特性亦能调节类器官的萌发与囊腔形成。

在生物医学应用中的前沿进展

仿生水凝胶已应用于肠道疾病模型（如炎症性肠病IBD、结直肠癌）、高通量药物筛选平台和再生医学策略（如肠上皮损伤修复）。例如，功能化PEG水凝胶可模拟肠道干细胞龛（stem cell niche）的生化微环境，支持长期类器官扩增与功能成熟。

当前挑战与未来方向

尽管水凝胶技术显著推进了IOs的培养标准化，仍存在以下挑战：

1. 1.

   复杂力学信号（如各向异性、动态刚度变化）的精准模拟；

2. 2.

   多谱系细胞共培养体系的基质设计；

3. 3.

   临床转化中的安全性、规模化生产与植入稳定性问题。未来研究需结合多组学分析与类器官表型验证，以推动水凝胶在个性化医疗与器官修复中的广泛应用。