DNA引導的人組織3D打印

日期：2015-09-02 08:58:12

最近，加州大學舊金山分校（UCSF）帶領的一個研究小組，開發出一種技術來構建人體組織的微模型（稱為類器官），他們使用一個比以前更精確的過程，將人類細胞轉變為樂高積木的生物等價物。這些長在培養皿中的小型組織，可以用來研究“組織的特定結構特征，如何影響正常生長或出錯癌變”。它們可以用于治療藥物的篩選，并幫助研究人員學會制備整個人體器官。

這項新技術被稱為DNA Programmed Assembly of Cells (DPAC)，發表在八月三十一日的《Nature Methods》，使研究人員能夠制備成千上萬個定制化的類器官，如人類乳腺腺體模型，每一個模型含有幾百個細胞，可以在大約幾個小時之內制備完成。

該論文的資深作者、UCSF藥物化學副教授Gartner博士說：“這項技術可以模仿的組織沒有什么限制。我們可以采用我們想要的任何類型的細胞。我們可以在最早期階段，精確地控制誰在與誰談話，誰接觸誰。然后，細胞按照這些最初編程的空間線索，來相互作用、移動，并隨著時間的推移發展成組織。”

Gartner表示：“一個潛在的應用是，在未來幾年內，我們可以從癌癥患者乳腺的不同組件抽取樣本，并構建他們組織的一個模型，用作個性化的藥物篩選平臺。另一種應用是，將來有一天，使用我們從這些模型學到的組織生長規則，來制備完整的器官。”

我們的身體是由10萬億個細胞組成，可分為多種不同的種類，每一個細胞都有其獨特的作用，使我們的身體保持活力和健康。在不同器官系統中，這些細胞在結構上將自我組織起來的方式，可幫助它們協調其驚人的多種行為和功能，保持整個生物機器運行平穩。但是在乳腺癌等疾病中，這個順序的故障，與腫瘤的迅速生長和擴散有關。

Gartner說：“細胞不是孤獨的小機器人。它們通過網絡進行溝通，做出群體決策。就像在任何復雜的組織中一樣，你真的需要得到該組織的結構才能獲得成功。在人體組織的背景下，當組織失敗時，就為癌癥埋下了隱患。”

但是，研究“復雜組織（如乳腺）的細胞是如何自我組織、作出群體決策、疾病的分解等”，一直是研究人員面臨的挑戰。生物體往往太過于復雜，因此不能確定一種特定細胞行為的具體原因。另一方面，培養皿中的細胞缺乏現實三維結構的關鍵要素。

Michael Todhunter博士與Noel Jee博士帶領了這項新研究，Michael說：“這項技術讓我們能夠在培養皿中制備組織的簡單組件，這樣我們就可以很容易地學習和操作。它讓我們能夠探索關于復雜人體組織的問題，而不需要在人身上做實驗。”

為了詳細地說明他們這些類器官的三維結構，Gartner的研究團隊使用一種熟悉的分子：DNA。研究人員用微小的單鏈DNA片段來培育細胞，這些DNA被設計成陷入細胞的外膜，覆蓋在每一個細胞上，就像網球的毛。這些DNA作為一種魔術貼分子和條形碼，能說明類器官內的每個細胞屬于哪里。當用互補DNA鏈培育的兩個細胞接觸時，它們會迅速緊緊固定在一起。如果DNA序列不匹配，細胞就漂浮在上面。可以用幾組不同的DNA條形碼一起培育細胞，以說明多個合適的合作伙伴。

為了將這些細胞積木變為可用于研究的類器官陣列，Gartner的團隊將這些細胞鋪在層面中，設計多組細胞粘附到特殊的合作伙伴上。為了證明這項技術的精度，及其推廣到許多不同組織類型的能力，研究團隊制備了幾個原理驗證的類器官陣列，模仿人體組織，如分支血管和乳腺。

在一個實驗中，研究人員制備了乳腺上皮細胞陣列，并探索“添加一個或多個低水平表達癌基因RasG12V的細胞，如何影響其周圍的細胞”。他們發現，當在低水平表達RasG12V的細胞制備而成的類器官中，正常細胞生長的更快，但需要一個以上的突變細胞來啟動這個異常生長。他們還發現，將低表達RasG12V的細胞放置在一管標準細胞的底部，可讓突變細胞分支和生長，從而將正常細胞拉在背后，就像生長的樹枝的尖芽。

Gartner的研究小組，計劃利用這種技術，來研究“乳腺中發生了什么細胞或結構變化，導致了腫瘤轉移相關的組織結構故障，侵入身體的其他部位，并嚴重威脅患者的生命”。他們也希望利用他們從不同組織類型模型中了解到的知識，最終利用更大規模的技術，制備出像肺、腎、神經回路等功能性人體組織。

Todhunter說：“構建復雜的蜂窩網絡，如那些在大腦中存在的結構，可能是你向往的最高的一個挑戰。現在，DPAC似乎可以實現這個崇高的目標。”