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你要的人工组织结构未来可以按需定制 万能“类细胞”选材于巨型磷脂囊泡

在地球生物进化过程中,最原始的单细胞生物如何进化成多细胞生物,并演化成具有组织和器官的高等生物,科学家们一直在通过各种方法试图揭晓答案,借助人工组织是其中的一种研究途径。

近日,哈尔滨工业大学化工与化学学院韩晓军教授及团队成员李庆川、李书彬等人,在国际著名杂志《自然·通讯》上发表论文称,团队利用程序化磁控方法,构建出了形状可控的人工组织,为研究多细胞生物的进化提供了宝贵模型。这项医工结合的学术成果设计新颖,还将在合成生物学、组织工程学、生物医学工程等领域,以及修复受损机体、筛选抗癌药物和深入探讨恶性肿瘤形成机理等方面,有着广阔的应用前景。

“类细胞”选材于巨型磷脂囊泡

在地球生命的进化过程中,组织或器官由特定空间排布的细胞组成,以整体行为执行比单细胞更高级的生物学功能,是生物多样性得以形成的关键因素。韩晓军介绍说,开展基于人造细胞的组织构建研究,可以为人类了解多细胞生物内部世界之谜打开“一扇窗”,并为可植入体内的人工组织的设计和构建奠定理论基础。

现阶段,在国内外的实验室里,脂质体、聚合物体和油包水液滴等“类细胞”结构已经被用来创建人工组织,但当前大多数组织样结构都是某些“类细胞”结构的无定形聚集体。研究证实,巨型磷脂囊泡是细胞的理想模型,而将大量巨型磷脂囊泡组装成空间编码的类组织结构以模仿自然组织,科学家们努力多年一直没有实现。

组装成各种形态的类组织结构

韩晓军解释说:“组织、器官、系统的形成,都是建立在细胞的分裂、分化和生长基础之上的,只有分化成专门的细胞和器官,生命活动才能更高效地进行。”不仅如此,多细胞的优越性还体现在对突发性事件的抗击能力上,这就和在原始部落中人们群居生活的情况类似,当面对野兽侵袭时,若是部落里个别人落了单之后,就必然难逃被猎杀的命运。

韩晓军团队在研究中以高渗和低渗溶液模拟“野兽”的角色,分别对单细胞和多细胞构成的人工组织展开“袭击”,发现单细胞迅速破裂,遭到损害;而多细胞打造成的人工组织坚不可摧,显示出磐石般的稳定性。这一现象提示多细胞凝聚成的组织群体呈现出来的强大集体力量。

根据磁阿基米德效应,引入顺磁性介质可增强抗磁力作用,能够驱使抗磁性物质移动到局部磁场最弱区域。韩晓军团队借鉴这一原理,率先在不锈钢网内部经过调节网孔的形状、网孔的距离等,用巨型磷脂囊泡充当人造细胞,组装成拥有特定空间排布的各种组织形态,包括三角形、方形、圆形、甚至类似古钱币的圆形方孔等形态。通过控制施加磁场的空间位置、时间顺序,以精确调控多种人造细胞的空间排列,使其呈现各种形态的类组织结构。

有望“定制”功能复杂的可移植器官

除了可帮助人们理解生命起源,这项多细胞人工组织的研究,还将在维护人类身体健康中发挥作用。时下,随着人们生活水平的日益提高,暴饮暴食、抽烟酗酒、工作压力陡增、日常作息规律严重扰乱等不良习惯层出不穷,对人体健康带来了极大危害。比如,在医院里,因为疾病的终末期而等待更换心、肝、肾、大小肠等器官的危重病人数量庞大,而器官移植的供体十分奇缺,手术风险巨大,预后效果难以预料。

构建体外人工组织并赋予其生命活力,有望向制备可临床移植的人造器官迈出一大步。在不远的将来,拥有复杂功能的“定制”器官或将替代真实的器官植入人体内,从根源上突破器官不足的“瓶颈”。韩晓军团队在研究中将两种人工细胞混合“搭建”成人工组织,其中一种人造细胞内部经生化反应生成的产物,可扩散到另外一个细胞内部,并引起生化“互动”,进而得到了有信号传递功能的人工组织。这使科学家制造功能更加复杂的人工组织有望“梦想成真”。

韩晓军教授指出,人工组织的制作及功能的模拟虽然取得了初步进展,但距离合成真正具备自主功能的人造器官尚有很长的一段路要走,还需要根据现有科研结果,向着更复杂、更精细、更接近生物功能的方向靠近。

责任编辑:Rex_16