再生人體器官內(nèi)褶皺組織

可用于各種器官組織的修復(fù)和再生

●創(chuàng)新點(diǎn)

生物黏膜大量存在于人體器官中，如氣管黏膜、食道黏膜、胃黏膜、小腸黏膜等。大部分的生物黏膜都具有一定的表面褶皺形態(tài)。這些褶皺在人體器官內(nèi)有重要功能：第一，增大表面積促進(jìn)生物組織對營養(yǎng)與水分的吸收；第二，使腔體實(shí)現(xiàn)不同程度上的膨脹而不會(huì)因?yàn)檫^量拉伸產(chǎn)生損壞；第三，有些表面褶皺通過開放與閉合腔體的作用來實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)流體與固體的通過和阻攔。

制備具有功能性的人造器官和組織來替換或修復(fù)受損的生物器官組織一直是一個(gè)難以攻克的問題?，F(xiàn)階段制備人造器官的方案仍然局限在利用3D打印或者模具成型的方式，這些方法往往無法使器官內(nèi)褶皺的黏膜具有靈活收縮/舒張的功能。

為解決上述局限和挑戰(zhàn)，美國麻省理工學(xué)院的趙選賀團(tuán)隊(duì)首次利用力學(xué)模型指導(dǎo)了功能性人造生物褶皺組織的制備。在器官組織的生長過程中，生物黏膜的不同層在模量與生長速率上存在差別，一般黏膜的外層（腔體壁）相較于內(nèi)層具有更高模量以及生長速率。這些層間的差異導(dǎo)致了力學(xué)失穩(wěn)的產(chǎn)生，從而使生物黏膜呈現(xiàn)出不同程度的褶皺。這些褶皺的形成使殘余應(yīng)力被保留在黏膜結(jié)構(gòu)中，器官腔體在受到外界壓力加載時(shí)，黏膜可隨著殘余應(yīng)力的釋放而舒張開來，在不損害組織的前提下保證器官靈活的體積變化。

●方法和結(jié)果

依據(jù)褶皺組織產(chǎn)生的生物機(jī)理，趙選賀團(tuán)隊(duì)在該工作中提出了一種由力學(xué)指導(dǎo)的機(jī)械式人造功能性褶皺組織的制備方式。首先將高韌水凝膠拉伸至特定預(yù)應(yīng)變，然后將培養(yǎng)有基質(zhì)細(xì)胞的水凝膠黏膜交聯(lián)于預(yù)拉伸的水凝膠表面。之后，在上表面培養(yǎng)一層表皮細(xì)胞用來準(zhǔn)確復(fù)制黏膜組織的生理結(jié)構(gòu)。接著，整個(gè)系統(tǒng)被釋放到無外界加載狀態(tài)，至此，人造黏膜因?yàn)榱W(xué)失穩(wěn)而產(chǎn)生表面褶皺。

應(yīng)用前景

人造功能性黏膜利用具有生物相容性的水凝膠培養(yǎng)基質(zhì)細(xì)胞和表皮細(xì)胞，模擬褶皺組織的生理結(jié)構(gòu)。該技術(shù)在組織工程領(lǐng)域中給出了一個(gè)簡單而新穎的范例，可以廣泛地應(yīng)用于各種器官組織的修復(fù)和再生。

Source：CHAN Honfai, ZHAO Ruike, Parada German, et al. Folding artificial mucosa with cell-laden hydrogels guided by mechanics models [J]. PNAS, 2018, 115(29)：7503--7508.