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Nature子刊:科学家创建“乐高”新技术,实现细胞叠加重构人器官

2015/09/02 来源:生物探索
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导读
《Nature Methods》期刊8月31日刊登了一篇论文,报道科学家研发出一种新技术:通过细胞叠加构建出3D版微型器官、组织。其中,细胞正确叠加的原理效仿乐高积木,在细胞膜上人工合成DNA片段,通过双链互补原则将细胞与细胞相连。


2013年开始,借助诱导多潜能干细胞(iPSC)、CRISPR/Cas9等新技术,培育类器官在生物医学领域成为新宠。这些类器官不仅仅能够作为研究人体器官结构的模型,还可以用于药物的临床试验。但是,这项体外器官构成技术目前还停留在实验室水平,且培育出的微型器官仅仅具有部分功能。

类器官的出现,让科学家提出“复杂的人体器官”的进一步预想。这样的复杂模型能够取代在人身体上进行直接试验,规避副作用等风险。但是,构建复杂器官面临着很大困难:构建器官组织时,不同类型的细胞无法精确定位,通信细胞无法正确与其他细胞相连。

近期,科学家找到通过DNA片段选择性叠加细胞的方法,打破细胞排列紊乱的僵局。相关研究成果于8月31日发表于《Nature Methods》期刊。

细胞“贴上”DNA片段,实现细胞与细胞的正确组合

人体器官包含了多种类型的细胞。例如乳腺组织,它由血管细胞、脂肪细胞、纤维细胞、白细胞等组成。为了正确排列这些类型的细胞,研究人员首先合成DNA片段、单链DNA分子,并将它们嵌合至细胞膜上,让每个细胞都有悬空的DNA链。

这些DNA片段的作用类似于魔术贴,通过双链互补的原理将细胞与细胞相连。科学家们就可以严格控制细胞的正确组合、排列。一层一层叠加,研究人员花费数小时,构建出又数百个功能细胞组成的三维器官模型。

科学家们将这一新技术命名为:DNA操纵细胞集合(DNA programmed assembly of cells,DPAC)。

DPAC技术的局限性

加州大学旧金山分校药物化学副教授Zev Gartner表示,目前实验室能研发出几厘米厚度的组织。虽然由成千上百的细胞,甚至上百万细胞构成,但是仅仅只有50-100微米厚。(相比之下,人类头发平均约100微米厚。)

因为类器官内部的细胞需要血管提供氧气和营养,所以目前,研究人员尚不能研发出更大更厚的组织、器官。为了突破局限,研究人员正在努力创造功能性血管,之后还得找到血管与细胞连结的新方法。

他们相信,通过DPAC技术、3D打印技术、干细胞技术等先进技术的联盟,构建完整且具有功能性的器官指日可待。

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