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激光和分子束带为组织工程创造了完美图案的平台

想象一下要去给外科医生换一个患病或受伤的器官,以进行功能齐全的实验室种植的替换手术。这仍然是科幻小说,而不是现实,因为当今的研究人员努力将细胞组织成我们身体可以自己掌握的复杂3D排列。

在实验室生长的器官和组织的道路上,有两个主要的障碍需要克服。第一种是使用可在其中生长细胞的生物相容性3-D支架。第二种方法是用正确配置的生化信息装饰支架,以触发所需器官或组织的形成。

朝着将这种希望变成现实的重要一步,华盛顿大学的研究人员开发了一种技术,可以利用影响细胞行为的基于蛋白质的生化信息来修饰天然存在的生物聚合物。他们的方法于1月18日当周在《美国国家科学院院刊》上发表,该方法使用近红外激光触发蛋白质信息与由生物聚合物(例如胶原蛋白)制成的支架的化学粘附,胶原蛋白是遍布我们整个人体的结缔组织身体。

威斯康星大学化学工程和生物工程学副教授Cole DeForest说,哺乳动物细胞对3-D支架内粘附的蛋白质信号的反应达到了预期。这些生物支架上的蛋白质触发了细胞内消息传递途径的改变,从而影响细胞的生长,信号传导和其他行为。

DeForest表示,这些方法可能构成以生物为基础的支架的基础,这些支架有一天可能使功能性实验室生长的组织成为现实,他也是西澳大学分子工程与科学研究所以及西澳大学干细胞与再生医学研究所的教职员工。

DeForest说:“这种方法为我们提供了我们一直在等待的机会,以更好地控制天然衍生生物材料的细胞功能和命运,不仅在三维空间,而且随着时间的流逝。” “而且,它利用了可以在4-D中控制的极其精确的光化学,同时又独特地保留了蛋白质功能和生物活性。”

DeForest在该项目上的同事是第一作者,前UW化学工程和生物工程博士后研究员Ivan Batalov,以及合著者Kelly Stevens,他是UW生物工程以及实验室医学和病理学的助理教授。

他们的方法是该领域的第一个方法,它在空间上控制天然存在的生物材料内部的细胞功能,而不是合成衍生的材料。包括DeForest在内的数个研究小组已开发出基于光的方法,以利用蛋白质信号修饰合成支架。但是天然生物聚合物对于组织工程而言可能是更有吸引力的支架,因为它们天生具有细胞用于结构,通讯和其他目的所依赖的生化特性。

DeForest说:“像胶原蛋白这样的天然生物材料固有地包含许多与天然组织中发现的相同的信号提示。” “在许多情况下,这些类型的材料通过向细胞提供与在体内会遇到的信号相似的信号,使细胞'更快乐'。”

他们研究了两种类型的生物聚合物:胶原蛋白和纤维蛋白,一种参与血液凝固的蛋白质。他们将它们组装成称为水凝胶的充满液体的支架。

圆柱形纤维蛋白水凝胶的顶视图。通过设计,水凝胶的右侧包含固定的Delta-1蛋白,该蛋白激活细胞内的Notch信号通路。左侧不包含固定的Delta-1(请参见插页)。该团队将人类骨癌细胞引入了水凝胶,该细胞经过工程改造,能够在激活Notch信号通路时发光。水凝胶的右侧发出明亮的光,表明该区域中的细胞已激活其Notch信号通路。水凝胶左侧的细胞没有。比例尺为1毫米。图片来源:Batalov等人,PNAS,2021年

研究小组添加到水凝胶中的信号是蛋白质,它是细胞的主要信使之一。蛋白质有多种形式,它们都有自己独特的化学特性。结果,研究人员设计了他们的系统,采用了一种将蛋白质附着到水凝胶上的通用机制,即两个化学基团(烷氧基胺和醛)之间的结合。在水凝胶组装之前,他们用烷氧基胺基团修饰了胶原蛋白或纤维蛋白前体,并用“笼”将其物理封闭,以防止烷氧基胺过早反应。可以使用紫外线或近红外激光将笼子移开。

使用先前在DeForest实验室中开发的方法,研究人员还将醛基安装在他们想要附着至水凝胶的蛋白质的一端。然后,他们将带有醛的蛋白质与涂有烷氧基胺的水凝胶结合在一起,并使用短暂的光脉冲除去覆盖烷氧基胺的笼子。暴露的烷氧基胺容易与蛋白质上的醛基反应,将它们束缚在水凝胶中。该团队使用了切入了图案的口罩以及改变了激光扫描的几何形状,从而在水凝胶中创建了复杂的蛋白质排列图案,包括旧的UW徽标,西雅图的太空针塔,怪物和怪物的3D布局。人的心脏。

束缚的蛋白质功能齐全,可将所需信号传递至细胞。当大鼠肝细胞被装载到带有胶原蛋白的水凝胶上时,该凝胶带有一种叫做EGF的蛋白质,它可以促进细胞生长,并表现出DNA复制和细胞分裂的迹象。在另一项实验中,研究人员用一种名为Delta-1的蛋白质的图案装饰了纤维蛋白水凝胶,该蛋白质激活了细胞中称为Notch信号传导的特定途径。当他们将人骨癌细胞引入水凝胶时,处于Delta-1模式的区域中的细胞会激活Notch信号,而没有Delta-1区域中的细胞则不会。

DeForest说,这些利用多种生物支架和蛋白质信号的实验表明,它们的方法几乎可以适用于任何类型的蛋白质信号和生物材料系统。

他补充说:“现在,我们可以利用我们对细胞信号转导的了解,来响应特定的蛋白质组合,从而在时空上调节关键的生物学功能,从而开始创建具有许多不同信号的水凝胶支架。”

通过将更复杂的信号加载到水凝胶上,科学家便可以尝试控制干细胞的分化,这是将科幻小说转变为科学事实的关键一步。

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