Современные достижения в разработке гидрогелей для разнообразных биомедицинских применений, обусловленных физико-химическими и биологическими реакциями

Гидрогели представляют собой универсальные платформы для разнообразных биомедицинских применений, которые становятся возможными благодаря рациональному структурному и функциональному дизайну, основанному на инженерии материалов и позволяющему регулировать их физико-химические свойства (например, жесткость, размер пор, вязкоупругость, микроархитектуру, способность к деградации, представление лигандов и свойства, чувствительные к стимулам) и влиять на сигнальные каскады в клетках и судьбу клеток. На протяжении последних нескольких десятилетий многочисленные передовые исследования были посвящены изучению взаимодействий клеток с гидрогелевой матрицей и выяснению лежащих в их основе механизмов, что проложило путь к трансляции терапевтических подходов на основе гидрогелей из лаборатории в клинику. В данном обзоре сначала кратко представлены физико-химические свойства гидрогелей и методы их получения. Затем приводятся всестороннее описание и углубленное обсуждение влияния различных свойств гидрогелей на поведение клеток и клеточные сигнальные события, включая кластеризацию интегринов; накопление и активацию комплексов фокальной адгезии (FA); перестройку цитоскелета; ядерно-цитоплазматический транспорт и активацию белков (например, Yes-associated protein (YAP), кателина и других); реорганизацию клеточных компартментов; экспрессию генов; а также дальнейшую регуляцию клеточной биологии (например, распластывание, миграцию, пролиферацию и приверженность к определенной линии дифференцировки). На этой основе обобщены и обсуждены современные применения гидрогелей in vitro и in vivo, главным образом включающие модели заболеваний; различные протоколы доставки клеток для регенерации тканей и терапии заболеваний; интеллектуальные носители лекарственных препаратов; биоимиджинг; биосенсоры; а также проводящие носимые и имплантируемые биоразлагаемые устройства. Особое значение имеет представленный потенциал клинической трансляции гидрогелей и результаты клинических испытаний, сопровождаемые обсуждением сохраняющихся проблем и перспектив дальнейшего развития этой области. В совокупности всесторонние и глубокие сведения, изложенные в данном обзоре, будут способствовать формированию принципов дизайна новых биомедицинских гидрогелей для понимания и регулирования клеточных процессов, обеспечивая важные ориентиры для дальнейшей разработки гидрогелей и расширения спектра их биомедицинских применений.