コンドロイチン硫酸、デルマタン硫酸、およびヒアルロン酸は、コラーゲンベースのヒドロゲルの生物物理特性を特異的に修飾する

フィブリラーコラーゲンとグリコサミノグリカン（GAG）は、細胞外マトリックス（ECM）にネイティブに豊富な構造生体分子です。以前の研究では、ECMのバルク機械的特性に対するGAGの効果が定量化されています。しかし、GAGがECMの他の生物物理学的特性をどのように変化させるかについての実験的研究は残っています。この研究では、GAG分子コンドロイチン硫酸（CS）、硫酸デルマタン（DS）、およびヒアルロン酸（HA）に焦点を当てています。CSとDSは立体異性体であり、HAは唯一の非硫酸ガグです。機械的インデンテーションテスト、マイクロ流体、および共焦点反射率イメージングを使用して、I型コラーゲンヒドロゲルの剛性、輸送、およびマトリックスマイクロアーキテクチャ特性に対するこれらのGAG分子の効果をそれぞれ特徴づけて分離しました。これらの生物物理学的測定を濁度アッセイで補完し、コラーゲンの凝集形成をプロファイルします。驚くべきことに、HAだけがECMインデンテーション弾性率を強化しましたが、3つのギャグはすべて油圧透過性に影響を与えませんでした。驚くべきことに、CS、DS、およびHAは、コラーゲンの自己組織化の速度論の変化により、ヒドロゲルのマトリックスマイクロアーキテクチャを差別的に調節することを示しています。GAGSがECMの主要な物理的特性をどのように定義するかに関する情報を提供することに加えて、この作業は、剛性測定、マイクロ流体、顕微鏡検査、および濁度の速度論を補完的に使用して、コラーゲンの自己組織化と構造の詳細を明らかにする新しい方法を示しています。重要な声明：コラーゲンとグリコサミノグリカン（GAG）は、細胞外マトリックス（ECM）の構造、機能、および生物活性に不可欠です。コラーゲンギャグ複合ヒドロゲルに広く関心があるにもかかわらず、異なるギャグが組織、細胞、および細胞内長スケール全体でECMの生物物理学的特性をどのように変化させるかについての定量的理解が不足しています。ここでは、GAG分子が硫酸コンドロイチン、硫酸塩、およびヒアルロン酸がヒドロゲルの機械的、輸送、および微小構造特性を肝臓自体の変化による変化による微小構造特性を差次的に調節することを、GAG分子の硫酸塩分、およびヒアルロン酸が測定することを、機械的、マイクロ流体、顕微鏡、および分析方法を使用して示しています。-組み立て。そのため、これらの結果は、カスタマイズされた組成、機械的特性、大量輸送による分子の利用可能性、および微細構造のコラーゲンベースの足場の設計と利用の改善に役立ちます。

Fibrillar collagens and glycosaminoglycans (GAGs) are structural biomolecules that are natively abundant to the extracellular matrix (ECM). Prior studies have quantified the effects of GAGs on the bulk mechanical properties of the ECM. However, there remains a lack of experimental studies on how GAGs alter other biophysical properties of the ECM, including ones that operate at the length scales of individual cells such as mass transport efficiency and matrix microstructure. This study focuses on the GAG molecules chondroitin sulfate (CS), dermatan sulfate (DS), and hyaluronic acid (HA). CS and DS are stereoisomers while HA is the only non-sulfated GAG. We characterized and decoupled the effects of these GAG molecules on the stiffness, transport, and matrix microarchitecture properties of type I collagen hydrogels using mechanical indentation testing, microfluidics, and confocal reflectance imaging, respectively. We complement these biophysical measurements with turbidity assays to profile collagen aggregate formation. Surprisingly, only HA enhanced the ECM indentation modulus, while all three GAGs had no effect on hydraulic permeability. Strikingly, we show that CS, DS, and HA differentially regulate the matrix microarchitecture of hydrogels due to their alterations to the kinetics of collagen self-assembly. In addition to providing information on how GAGs define key physical properties of the ECM, this work shows new ways in which stiffness measurements, microfluidics, microscopy, and turbidity kinetics can be used complementarily to reveal details of collagen self-assembly and structure. STATEMENT OF SIGNIFICANCE: Collagen and glycosaminoglycans (GAGs) are integral to the structure, function, and bioactivity of the extracellular matrix (ECM). Despite widespread interest in collagen-GAG composite hydrogels, there is a lack of quantitative understanding of how different GAGs alter the biophysical properties of the ECM across tissue, cellular, and subcellular length scales. Here we show using mechanical, microfluidic, microscopy, and analytical methods and measurements that the GAG molecules chondroitin sulfate, dermatan sulfate, and hyaluronic acid differentially regulate the mechanical, transport, and microstructural properties of hydrogels due to their alterations to the kinetics of collagen self-assembly. As such, these results will inform improved design and utilization of collagen-based scaffolds of tailored composition, mechanical properties, molecular availability due to mass transport, and microarchitecture.