在發展過程中，細胞持續地被協調和物質化，最終形成完全功能化的人體。由于其富含細胞的特性，天然組織可以被視為能夠解釋其環境的動態材料，作為指導性的生物工廠（例如，生物活性信號線索和細胞外基質（ECM）組分），以及識別傳入的刺激并相應地調整其生物屬性。盡管在模仿活性組織適應性的響應性材料方面取得了顯著進展，但細胞傳達的獨特生命屬性超出了當前合成和半合成生物材料的范疇。這種觀點激發了對工程活性材料的追求，旨在最大化工程組織構造中類似生命屬性的范圍，以增強其生物模仿性和生物功能性。在這個新興領域的最新努力中，已經產生了作為細胞膠的活性材料，或配備了按需生物礦化、可編程生物分子分泌能力和反饋響應模塊。從這些基于原核生物的系統中汲取靈感，人們對于將哺乳動物細胞作為活性、自我支撐的構建塊，以復制組織組成、高細胞密度、自主基質重塑和機械成熟等生物組織的動態特征（組織折疊和形態發生）的生物功能性構造，表現出極大的興趣。然而，將人類細胞作為功能性材料用于制造宏觀尺度的組織模擬材料仍然是一個未被充分探索的領域。傳統的富含細胞的活性材料通常是球形微團和細胞片，它們提供有限的三維性，并且難以處理和加工成大規模構造。雖然已經使用三維生物打印或懸掛滴方法制造了更大的纖維狀構造，但這些方法仍然需要適度的組裝時間或依賴于包含多個步驟的技術組合來生產和收集活性材料，通常有幾何限制。為了克服這一點，另一種選擇是使用細胞表面工程工具（例如，基因工程、基于DNA的互連、脂質體融合和化學功能化）來推動和加速細胞-細胞組裝。盡管最近的進展開始揭示它們在生成基于哺乳動物的活性材料方面的潛力，但大多數這些策略仍然限于微尺度聚集體，并且與細胞改造效率低、技術制造復雜性和生產成本高有關。鑒于此，葡萄牙阿威羅大學Jo?o F. Mano、Vítor M. Gaspar等人提出一種廣泛可訪問的代謝糖工程策略，使人類細胞能夠作為活性交聯劑和活性材料的基本構建塊。利用內源性生物合成細胞機械，生物正交疊氮基團被有效地安裝在細胞表面糖蛋白上，允許在沒有催化劑的情況下進行應變促進的[3+2]疊氮-炔烴環加成（SPAAC）與環辛炔功能化生物材料的耦合。作為細胞錨定組分，天然存在于組織ECM中的糖胺聚糖透明質酸被功能化為帶有懸掛二苯環辛炔（DBCO）基團。在這種策略下，宏觀尺度和組織密集的活性材料—在這里稱為Cellgels—完全通過疊氮細胞與界面糖胺聚糖衍生物的生物正交交聯迅速組裝而成。
研究人員開發了一種名為Cellgels的新型活性材料，通過精確設計細胞表面，使用一種乙酰化的疊氮修飾的甘露糖胺衍生物（Ac4ManNAz）來功能化細胞表面的唾液酸殘基，使它們作為交聯劑。研究人員使用了人類脂肪組織的間充質基質細胞（hASCs），并證明了這種糖工程改造的細胞可以在標準培養條件下自主功能化。通過與透明質酸結合的二苯環辛炔（HA-DBCO）作為細胞錨定組分，實現了細胞間的交聯，形成了具有凝聚力和連續結構的Cellgels。Cellgels可以自組裝成各種幾何形狀，包括圓柱形、六邊形和棱柱形，甚至可以制造空心管狀構造。它們具有高細胞密度，類似于生物組織，并且可以在成熟過程中保持高細胞活性。這項技術還展示了其多功能性，能夠從不同類型的人類細胞（包括血管、皮膚和胰腺癌細胞）組裝Cellgels，證明了其在組織工程和生物材料領域的潛力。研究人員通過RNA測序分析了細胞表面引入疊氮基團后的基因表達變化，發現改造細胞與原生細胞相比有少量基因表達差異，主要關聯細胞外基質和細胞間相互作用。3D結構Cellgels的基因表達與2D細胞有顯著不同，特別是細胞外基質和細胞粘附相關基因表達上調。Cellgels能自主釋放多種基質組分，包括膠原蛋白和糖蛋白，促進細胞外基質的組織和重塑。隨時間推移，Cellgels中的細胞網絡能自主重塑，從圓形變為長條形，形成密集連接的網絡，與物理嵌入的水凝膠相比，細胞在Cellgels中能更有效地展開。Cellgels在成熟過程中通過細胞外基質積累實現自我增強，其壓縮模量隨時間顯著增加，接近天然軟組織的剛度。通過調整細胞密度和細胞錨定組分，可以調節Cellgels的初始剛度。此外，Cellgels展現出對微環境的響應能力，能夠與模擬組織基質的Matrigel環境自發整合，顯示出3D細胞遷移和組織整合能力。這些特性表明Cellgels是一種具有自我增強、組織整合潛力的活性材料。Cellgels在與模擬組織環境和生物惰性環境接觸時表現出不同的生物學識別能力。它們能夠識別并粘附于具有細胞粘附基團的GelMA水凝膠，但在缺乏細胞粘附基團的PEGDA水凝膠中則無法粘附，導致結構解體。Cellgels還能作為組織缺陷填充材料，成功與豬組織（皮膚、軟骨和骨骼）的手術切口融合，無論缺陷的起源或幾何復雜性如何。Cellgels對不同的軟生物組織（皮膚、肝臟和心臟）表現出優異的粘附性能，粘附強度顯著高于對照組。此外，Cellgels即使在垂直懸掛和水下機械攪拌的條件下也能保持穩定的粘附性，這種細胞驅動的生物特異性粘附與活性組織的粘附相似，不同于基于化學相互作用的傳統非細胞粘合劑。Cellgels還展現出自我修復的能力，切割后的Cellgels能夠在接觸后自主融合成單一的結構，并在7天后形成能夠承受機械應力的無縫結構。這種細胞驅動的自我修復能力在活性材料中尚未被充分探索，與常規水凝膠的自我修復不同，活性材料不僅能通過重新連接修復損傷，還能通過再生失去的質量來修復損傷，這更接近于天然組織的再生過程。圖4 | Cellgel展示選擇性粘附和生物自我修復特性Cellgels展示了與特定水凝膠結合的能力，能夠組裝成具有不同細胞或材料組成的多室結構。這些結構不僅設計多樣，還能嵌入可灌注的水凝膠纖維，形成復雜的生物材料。Cellgels的自我融合特性允許它們在成熟期間或之后合并，形成多珠或多塊的無縫結構。利用Cellgels的干細胞特性，可以在成熟過程中指導它們分化成不同類型的組織，如骨骼、脂肪和軟骨。此外，Cellgels還能創建包含多種細胞類型的異質結構，模擬不同細胞間的相互作用，重現組織的多樣性和空間組織。這種技術為構建具有復雜細胞相互作用的大型多細胞活性材料提供了新的可能性。在小鼠傷口修復實驗中，Cellgels與傳統的水凝膠對照組相比，顯著加快了傷口閉合速度，并且在7天內實現了傷口的完全上皮化。Cellgels還促進了肉芽組織的形成和新生血管的生成，且未對疤痕形成產生負面影響。這些發現證實了Cellgels在促進傷口愈合和組織再生中的潛力。總的來說，所提出的方法使得組裝具有類似組織密度、單元可編程性和模仿生命系統關鍵方面特征的人類活性材料成為可能。展望未來，預期最先進的遺傳工程工具能夠擴大Cellgels在單細胞水平上的單元可編程性，允許定制組織特異性活動或安裝外來的生物功能性。在更高層面上，現有的大量水凝膠庫可以與Cellgels接口，增加了另一層模塊化，即集成具有定制生物材料組成、不同細胞內容和功能梯度機械環境的空間限制隔間。將富含細胞的構建物與不同類別的生物材料（即水凝膠、纖維和膠囊）無縫結合的協同作用，可能會產生具有獨特屬性的新型細胞主導材料，這些材料可能更適合于工程化活性組織類似物。在未來的研究中，這項技術可以進一步與新興的預血管化技術相結合，以產生越來越大、生物功能性和復雜的異質活性材料。Lavrador, P., Moura, B.S., Almeida-Pinto, J. et al. Engineered nascent living human tissues with unit programmability. Nat. Mater. (2024).https://doi.org/10.1038/s41563-024-01958-1
