活組織可自發(fā)折疊成3D結(jié)構(gòu)，科學(xué)家有望解密自然發(fā)育過程

組織工程學(xué)，又稱“再生醫(yī)學(xué)”，是指利用生物活性物質(zhì)，通過體外培養(yǎng)或構(gòu)建的方法，再造或者修復(fù)器官及組織的技術(shù)。隨著3D打印技術(shù)和類器官培養(yǎng)技術(shù)的進(jìn)步及成熟，越來越多的人造器官或組織在實驗室中出現(xiàn)，但大多數(shù)在功能上卻差強(qiáng)人意。

人類從一顆受精卵到胚胎再到有機(jī)體，組織在發(fā)育中經(jīng)歷了伸展、皺縮、折疊等一系列復(fù)雜而又精密的過程，才最終成為具有完整功能的成熟器官。這形成褶皺、折疊等獨特3D結(jié)構(gòu)的神秘旅程，正是無數(shù)生物工程師們渴望模擬重現(xiàn)的關(guān)鍵。

而今，來自加州大學(xué)舊金山分校的研究者們通過簡單的操作，在體外重現(xiàn)了哺乳動物發(fā)育中復(fù)雜結(jié)構(gòu)的形成過程，這個突破無論是對于基礎(chǔ)科學(xué)研究、藥物測試，還是再生醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面都將具有非凡的意義，文章于 12月28日發(fā)表在 Cell 子刊 Developmental Cell 上。

組織間不起眼的一個褶皺可能正是器官行使完整功能的關(guān)鍵，比如大腦或是小腸，自然發(fā)育過程中的每個折疊和彎曲看起來都是那么水到渠成，穩(wěn)定且高度可重復(fù)，可想要體外重建和控制卻是十分困難。

以目前熱門的類器官模型來說，多個相同類型類器官可以很容易的保證上皮結(jié)構(gòu)或是成分，但在空間形態(tài)上就可謂是“姿態(tài)萬千”、“各不相同”了，體外的折疊很大程度依賴于邊界條件，往往需要多個組織層之間的相互作用。

為了尋求研究思路，研究人員對自然發(fā)育過程進(jìn)行觀察研究，他們發(fā)現(xiàn)一種叫做間充質(zhì)細(xì)胞的分化細(xì)胞在某些組織的折疊中發(fā)揮重要作用。

這些間充質(zhì)細(xì)胞像是蜘蛛一樣，盤踞在由細(xì)胞外基質(zhì)纖維（用于支撐細(xì)胞結(jié)構(gòu)）織就的蛛網(wǎng)中，隨時拉動蛛絲（基質(zhì)纖維），而似乎正是由此產(chǎn)生的牽引力使組織彎曲折疊形成不同形狀。

“我們意識到將自然發(fā)育過程分解成為設(shè)計規(guī)則是可能的，”文章的第一作者 Alex Hughes說到，“我們可以用這些規(guī)則重建、理解組織，這將是組織工程學(xué)中一個全新的視角”。

為了驗證間充質(zhì)細(xì)胞是模擬自然界組織折疊的關(guān)鍵，Zev J. Gartner 和他的團(tuán)隊使用了一種叫做 DNA 編輯細(xì)胞組裝法的技術(shù)，將小鼠或人類的間充質(zhì)細(xì)胞嵌入基質(zhì)中。由此獲得的組織模板隨著時間的推移可以自發(fā)的折疊成如碗、線圈或波浪狀，甚至是自然界中罕見的立方體結(jié)構(gòu)。

“發(fā)育學(xué)知識目前正在成為協(xié)助描繪工程學(xué)的畫布，將復(fù)雜的發(fā)育過程拆解成簡單的設(shè)計規(guī)則，可以幫助研究人員更好的從生物學(xué)層面上理解、操控工程設(shè)計，”本文的通訊作者，來自加州大學(xué)舊金山分校細(xì)胞構(gòu)造中心的 Zev Gartner 介紹到，“在這種研究背景下，能夠掌握活細(xì)胞組織的形變對于未來構(gòu)建合成復(fù)雜的功能結(jié)構(gòu)，可以說是一個絕佳的基礎(chǔ)?！?/p>

Gartner的研究同時為其他再生醫(yī)學(xué)的研究這提供了思路，目前人工器官思路主要集中于類器官培養(yǎng)與生物材料3D打印上。類器官是一種3D細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)，通過實驗室中對供體干細(xì)胞的長時間培養(yǎng)形成器官類似物。由于與供體的高度相似性，目前類器官培養(yǎng)技術(shù)正在成為藥物篩選等精準(zhǔn)醫(yī)療的熱門工具，同樣熱門的還有3D打印技術(shù)，但大多數(shù)卻因錯失某些細(xì)小的結(jié)構(gòu)特點而不具有生物學(xué)功能。

“我們的思路是，不直接打印出最終的生物結(jié)構(gòu)，” Gartner說到，“只是打印出一個模板，讓它再隨著時間模擬‘發(fā)育，像4D打印一樣”。

未來，該研究團(tuán)隊希望將這種發(fā)育中的折疊規(guī)律與其他方法相結(jié)合，進(jìn)一步控制組織的折疊和發(fā)育，同時，他們也將致力于組織折疊中細(xì)胞分化應(yīng)答機(jī)制的研究。？笏（摘自美《深科技》）（編輯/華生）endprint