活组织可自发折叠成3D结构,科学家有望解密自然发育过程

生物医学
活组织可自发折叠成3D结构,科学家有望解密自然发育过程
麻省理工科技评论 2018-01-02

2018-01-02

如今,来自加州大学旧金山分校(UCSF)的研究者们通过简单的操作,在体外重现了哺乳动物发育中复杂结构的形成过程。
3D打印
如今,来自加州大学旧金山分校(UCSF)的研究者们通过简单的操作,在体外重现了哺乳动物发育中复杂结构的形成过程。

组织工程学,又称“再生医学”,是指利用生物活性物质,通过体外培养或构建的方法,再造或者修复器官及组织的技术。随着3D打印技术和类器官培养技术的进步及成熟,越来越多的人造器官或组织在实验室中出现,但大多数在功能上却差强人意。人类从一颗受精卵到胚胎再到有机体,组织在发育中经历了伸展、皱缩、折叠等一系列复杂而又精密的过程,才最终成为具有完整功能的成熟器官。这形成褶皱、折叠等独特3D结构的神秘旅程,正是无数生物工程师们渴望模拟重现的关键。

而今,来自加州大学旧金山分校(UCSF)的研究者们通过简单的操作,在体外重现了哺乳动物发育中复杂结构的形成过程,这个突破无论是对于基础科学研究、药物测试,还是再生医学应用方面都将具有非凡的意义,文章于 12月28日发表在 Cell 子刊 Developmental Cell 上。组织间不起眼的一个褶皱可能正是器官行使完整功能的关键,比如大脑或是小肠,自然发育过程中的每个折叠和弯曲看起来都是那么水到渠成,稳定且高度可重复,可想要体外重建和控制却是十分困难。

以目前热门的类器官模型来说,多个相同类型类器官可以很容易的保证上皮结构或是成分,但在空间形态上就可谓是“姿态万千”、“各不相同”了,体外的折叠很大程度依赖于边界条件,往往需要多个组织层之间的相互作用。为了寻求研究思路,研究人员对自然发育过程进行观察研究,他们发现一种叫做间充质细胞(mesenchymal cells)的分化细胞在某些组织的折叠中发挥重要作用。这些间充质细胞像是蜘蛛一样,盘踞在由细胞外基质纤维(用于支撑细胞结构)织就的蛛网中,随时拉动蛛丝(基质纤维),而似乎正是由此产生的牵引力使组织弯曲折叠形成不同形状。“我们意识到将自然发育过程分解成为设计规则是可能的,”文章的第一作者 Alex Hughes说到,“我们可以用这些规则重建、理解组织,这将是组织工程学中一个全新的视角”。

为了验证间充质细胞是模拟自然界组织折叠的关键,Zev J. Gartner 和他的团队使用了一种叫做 DNA 编辑细胞组装法(DNA-programmed assembly of cells,DPAC)的技术,将小鼠或人类的间充质细胞嵌入基质中。由此获得的组织模板随着时间的推移可以自发的折叠成如碗、线圈或波浪状,甚至是自然界中罕见的立方体结构。“发育学知识目前正在成为协助描绘工程学的画布,将复杂的发育过程拆解成简单的设计规则,可以帮助研究人员更好的从生物学层面上理解、操控工程设计,”本文的通讯作者,来自加州大学旧金山分校细胞构造中心的 Zev Gartner 介绍到,“在这种研究背景下,能够掌握活细胞组织的形变对于未来构建合成复杂的功能结构,可以说是一个绝佳的基础。”

Gartner的研究同时为其他再生医学的研究这提供了思路,目前人工器官思路主要集中于类器官培养与生物材料3D打印上。类器官是一种3D细胞培养系统,通过实验室中对供体干细胞的长时间培养形成器官类似物。由于与供体的高度相似性,目前类器官培养技术正在成为药物筛选等精准医疗的热门工具,同样热门的还有3D打印技术,但大多数却因错失某些细小的结构特点而不具有生物学功能。“我们的思路是,不直接打印出最终的生物结构,” Gartner说到,“只是打印出一个模板,让它再随着时间模拟‘发育’,像4D打印一样”。未来,该研究团队希望将这种发育中的折叠规律与其他方法相结合,进一步控制组织的折叠和发育,同时,他们也将致力于组织折叠中细胞分化应答机制的研究。

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