Hydrogels with differential and patterned mechanics to study stiffness-mediated myofibroblastic differentiation of hepatic stellate cells

肝星状细胞 肌成纤维细胞 自愈水凝胶 细胞外基质 生物物理学 材料科学 脂滴 刚度 纤维化 Ⅰ型胶原 化学 纳米技术 细胞生物学 复合材料 生物 病理 医学 高分子化学
作者
Murat Guvendiren,Maryna Perepelyuk,Rebecca G. Wells,Jason A. Burdick
出处
期刊:Journal of The Mechanical Behavior of Biomedical Materials [Elsevier]
卷期号:38: 198-208 被引量:89
标识
DOI:10.1016/j.jmbbm.2013.11.008
摘要

The differentiation of hepatic stellate cells (HSCs) into myofibroblasts is a key event in liver fibrosis. Due to the local stiffening of the extracellular matrix (ECM) during fibrosis, it is of great interest to develop mimics that can be used to investigate the cellular response to changes in mechanics. Here, we used a step-wise hydrogel crosslinking technique, where macromolecules are crosslinked using a sequence of addition then UV light-mediated radical crosslinking, to generate hydrogels with tunable stiffness. Freshly isolated HSCs remained rounded with lipid droplets and high levels of PPARγ expression on soft substrates (E~2kPa); however, HSCs spread, lost their lipid droplets, and expressed high levels of α-smooth muscle actin (α-SMA) and type I collagen on stiff substrates (E~24kPa). Similarly, fully differentiated cells reverted to a quiescent state when plated on soft substrates. Stiffness-induced differentiation of HSCs was enhanced in the presence of exogenous TGF-β1, a dominant signal in fibrosis. When the UV-induced secondary crosslinking was restricted with a photomask to spatially control mechanics, HSCs responded based on the local hydrogel stiffness, although they remained quiescent on stiff substrates if the stiff feature size was not sufficient to allow cell spreading. This hydrogel system permits the investigation of HSC response to materials with diverse levels and spatially heterogeneous mechanical properties.
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