3D細胞培養用の粘弾性ヒドロゲル

組織では、多くの細胞が3次元の柔らかい細胞外マトリックス（ECM）に囲まれ、相互作用します。ECMの物理的および生化学的特性の両方が、細胞の挙動の調節に大きな役割を果たします。細胞の挙動に対するECM特性の影響をよりよく理解するために、3D細胞培養の合成ECMとして使用するために、天然および合成ヒドロゲルが開発されています。ECMと組織は粘弾性であるか、変形または機械的負荷に対する時間依存の反応を示すことが長い間知られてきました。ストレス弛緩とクリープを示しています。しかし、最近では、3D培養のためのヒドロゲルを使用して細胞の挙動を調節する上でECMメカニクスの時間依存的側面の役割を理解する努力がなされました。ここでは、ヒドロゲル粘弾性と可塑性の特性評価と分子基盤を確認し、2Dおよび3D培養のヒドロゲルの粘弾性を調整するための新しく開発されたアプローチを説明します。次に、ヒドロゲルストレス緩和の強力な影響または間葉系幹細胞の分化などの細胞の挙動に対するクリープを見つけるいくつかの最近の研究を強調します。細胞生物学における時間依存のメカニズムの役割は、ほとんど不明確なままであり、さらなる調査のために熟している。このトピックのさらなる解明は、発達、恒常性、創傷治癒、病気中の細胞マトリックス相互作用の理解を大幅に進め、再生医療用の生体材料の設計を導きます。

In tissues, many cells are surrounded by and interact with a three-dimensional soft extracellular matrix (ECM). Both the physical and biochemical properties of the ECM play a major role in regulating cell behaviours. To better understand the impact of ECM properties on cell behaviours, natural and synthetic hydrogels have been developed for use as synthetic ECMs for 3D cell culture. It has long been known that ECM and tissues are viscoelastic, or display a time-dependent response to deformation or mechanical loading, exhibiting stress relaxation and creep. However, only recently have there been efforts made to understand the role of the time-dependent aspects of the ECM mechanics on regulating cell behaviours using hydrogels for 3D culture. Here we review the characterization and molecular basis of hydrogel viscoelasticity and plasticity, and describe newly developed approaches to tuning viscoelasticity in hydrogels for 2D and 3D culture. Then we highlight several recent studies finding a potent impact of hydrogel stress relaxation or creep on cell behaviours such as cell spreading, proliferation, and differentiation of mesenchymal stem cells. The role of time-dependent mechanics on cell biology remains largely unclear, and ripe for further exploration. Further elucidation of this topic may substantially advance our understanding of cell-matrix interactions during development, homeostasis, wound healing, and disease, and guide the design of biomaterials for regenerative medicine.