科学家开发出细胞水平3D打印技术:DNA编程组装

技术应用 2015-09-05 10:02:59 367

近日,在最新一期的《Nature Methods》杂志上,来自加州大学旧金山分校(UCSF)的一队科学家公布了他们在3D打印人体组织的微型模型方面获得的技术突破。科学家们称,该技术可以用于药物筛选、癌症研究,最终甚至可以帮助完成可移植器官。

这一新技术被称为细胞的DNA编程组装(DPACDNA Programmed Assembly of Cells)。这项研究是由UCSF的药物化学副教授Zev Gartner领导,参与者包括博士后研究员Alex Hughes、研究人员Maxwell Coyle博士,以及一批博士生。

研究人员解释称,这项技术主要是要制造出像乐高积木那样可以构成人体组织的微小模型,这些模型就像构成人体的“砖块”。这些微小模型被3D打印到一个碟子里,可以用于范围广泛的研究,比如对于受癌症影响组织的研究、或者治疗药物的筛选,它甚至还可能导致3D打印人体器官的突破。




Gartner教授非常看好这一突破。“我们可以获取想要的任何细胞类型,并且通过编程指定它要去的地方。我们可以在最早期的阶段精确地控制谁跟谁说话,谁要接触谁。随后这些细胞就会按照最初编程好的空间线索进行互动、四处移动,然后随着时间的推移发展成为组织。”Gartner表示,“这中间的一个潜在的应用是,在未来的几年中,我们可能会从一位乳癌症患者的乳腺上采集不同组成部分的样品,建立一个这些组织的模型,并以此作为一个专门针对该患者的个性化药物筛选平台来使用。另外一个用处是我们可以从这些模型上学习到组织生长的规则,然后最终会使其成长为完整的器官。”

更重要的是,这种技术的效率非常高。该技术可以在数小时之内创建出数以千计的类器官阵列——每个类器官都通过了定制设计,并含有数百个细胞。要知道,我们的身体里包含了超过10万亿个细胞,这些细胞有数百种。而正是这些不同细胞的组合构成了各种器官系统的结构功能。但癌症往往会打破已经组织好的细胞结构,所以我们需要武装自己对抗它。“细胞不是孤独的小自动机,”Gartner表示,“它们会通过网络进行沟通,进行集体决策。正如在任何复杂的社会组织中那样,只有这个组织的结构正确它才会成功,而许多失败的企业已经证明了这一点。在人体组织的背景下,当出现组织故障时,那就是癌症。”

这就使DPAC技术非常有效,因为更多有关组织细胞如何进行自我组织和功能的知识有助于我们更好地理解如何治愈癌症。“这项技术可以让我们在碟子上制造一些简单的细胞组织部件,以便于我们能够轻松地学习和操作。”参与这项研究的博士研究生之一Michael Todhunter说。“它让我们无需对人体进行实验就可以提出一些复杂的人类组织问题。”

至于如何3D打印出具体的结构,Gartner的团队依赖于DNA简单地说,研究人员会切出一小段DNA并将它安装到细胞的外膜上——他们将之比做网球上的绒毛。这不仅能使细胞了解它们属于类器官中的哪一部分,也能够把细胞“粘”在一起。最有趣的是,如果这些细胞彼此的DNA序列不相匹配,它们是不会互相粘附的。这就使科学家能够创建出非常精确的细胞结构。他们可以逐层3D打印出这些细胞结构,而每组都被设计为只与特定的“细胞伙伴”结合

为了展示该技术在3D打印不同类器官方面的能力,科学家们还在实验中3D打印了各种不同细胞的阵列,比如脉管细胞、乳腺细胞,以及乳腺上皮细胞等。在后一个实验中,他们在细胞中加入了低水平的癌症基因RasG12V,发现不止一个突变细胞能够引起细胞结构的异常生长。

下一步,Gartner的研究团队正计划使用这种技术在细胞水平上研究到底是什么样的变化导致了肿瘤的生长并产生能够入侵人体其他部位的癌细胞,最终危及生命。 他们也希望用这种技术来了解更多关于如何打造可移植的功能组织甚至包括完整的器官的知识。“打造出类似于大脑那样复杂的细胞网络的功能模型,是我们追求的最高挑战之一。”Todhunter说,“DPAC使得这样一个崇高的目标似乎有可能实现。”

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