在從卵子到胚胎再到成熟生物體的旅程中，我們的身體像一張非常復雜的折紙一樣伸展、起皺和折疊。現(xiàn)在，美國加州大學舊金山分校的生物工程師已經(jīng)證明，許多構成哺乳動物身體計劃和內(nèi)部組織結構的復雜折疊形狀，都可以通過非常簡單的指令進行再造，為未來從實驗室生長的器官到軟體生物機器人的應用奠定了基礎。
在他們的新論文中，研究人員發(fā)現(xiàn)被稱為間充質(zhì)細胞的特殊細胞在發(fā)育過程中折疊一些組織方面發(fā)揮著特殊的作用。就像蜘蛛拉網(wǎng)一樣，這些細胞可以伸展到繩索狀的細胞外基質(zhì)纖維網(wǎng)絡中，細胞自然分泌到它們周圍以獲得結構支撐。
研究人員發(fā)現(xiàn)，當組織不同部位的間充質(zhì)細胞同時牽拉ECM纖維網(wǎng)時，會在組織內(nèi)產(chǎn)生作用力，使其彎曲折疊成各種形狀，從手指狀絨毛到腸道排出并幫助消化的花芽，最終形成動物毛發(fā)或羽毛。
研究人員隨后證明，他們可以利用這些自然發(fā)育過程來重組實驗室樣本中的組織褶皺。通過鋪設老鼠或人類間充質(zhì)細胞的特定圖案，研究人員可以將生物組織的薄板折疊成碗狀、線圈狀和波紋狀，以及更抽象的形狀，例如通常在自然界中找不到的立方體。
“發(fā)展已經(jīng)開始成為工程的畫布。通過將開發(fā)的復雜性分解成更簡單的工程原理，科學家開始更好地理解并最終控制基礎生物學。在這種情況下，機械活性細胞促進組織形態(tài)變化的內(nèi)在能力是構建復雜且功能性合成組織的理想基礎，”資深作者Zev Gartner博士說，他是舊金山加州大學藥學院藥物化學副教授、舊金山加州大學細胞構建中心的研究員Chan Zuckerberg Biohub和聯(lián)合主任，該中心旨在“將生物學轉(zhuǎn)化為工程學科”。
Gartner表示，這項工作的目標之一是提高生物學家創(chuàng)造組織“類器官”的能力——這是一種實驗室生長的微小組織，通常由人類患者的干細胞生長而成——這已經(jīng)成為精準醫(yī)學中越來越受歡迎的工具，例如，允許研究人員篩選能夠有效對抗特定患者疾病的藥物。
該實驗室使用3D打印或微制造技術為組織工程創(chuàng)建3D形狀，但最終產(chǎn)品往往忽略了根據(jù)開發(fā)計劃生長的組織的關鍵結構特征。Gartner的實驗室方法使用精確的三維細胞模式技術，稱為DNA編程細胞組裝(DPAC)，建立組織的初始空間模板，然后將其自身折疊成復雜的形狀，以復制組織在開發(fā)過程中如何分層組裝自己。
“我們的感覺是，你不能用生物打印機直接打印最終的生命結構，”Gartner說?！澳阈枰蛴∫粋€模板，它將通過人工開發(fā)隨著時間的推移而發(fā)展，或者你可以稱之為四維生物打印?！?
Gartner和他的團隊現(xiàn)在想知道他們是否可以將控制組織折疊的開發(fā)計劃與控制組織模式的開發(fā)計劃結合起來。他們還想開始了解細胞在體內(nèi)組織折疊過程中發(fā)生的機械變化是如何分化的，并從胚胎發(fā)育的特定階段獲得靈感。未來，Gartner設想利用這些原理，在實驗室中為人體器官生長技術的移植提供信息，或者設計一個由活體活性材料組成的軟機器人。
第一作者、Gartner Lab博士后學者Alex Hughes博士說：“我們開始看到，將自然開發(fā)過程分解為工程原理是可能的，然后我們可以重用它們來構建和理解組織。"這是組織工程的一個新角度."
“讓我驚訝的是這個想法有多有效，細胞的表現(xiàn)如何，”Gartner說?！斑@個想法告訴我們，當我們揭示強大的開發(fā)設計原則時，它們只能被我們從工程角度的想象力所限制?！?
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