活組織可自發折疊成3D結構，科學家有望解密自然發育過程

組織工程學，又稱“再生醫學”，是指利用生物活性物質，通過體外培養或構建的方法，再造或者修復器官及組織的技術。隨著3D打印技術和類器官培養技術的進步及成熟，越來越多的人造器官或組織在實驗室中出現，但大多數在功能上卻差強人意。

人類從一顆受精卵到胚胎再到有機體，組織在發育中經歷了伸展、皺縮、折疊等一系列復雜而又精密的過程，才最終成為具有完整功能的成熟器官。這形成褶皺、折疊等獨特3D結構的神秘旅程，正是無數生物工程師們渴望模擬重現的關鍵。

而今，來自加州大學舊金山分校的研究者們通過簡單的操作，在體外重現了哺乳動物發育中復雜結構的形成過程，這個突破無論是對于基礎科學研究、藥物測試，還是再生醫學應用方面都將具有非凡的意義，文章于 12月28日發表在 Cell 子刊 Developmental Cell 上。

組織間不起眼的一個褶皺可能正是器官行使完整功能的關鍵，比如大腦或是小腸，自然發育過程中的每個折疊和彎曲看起來都是那么水到渠成，穩定且高度可重復，可想要體外重建和控制卻是十分困難。

以目前熱門的類器官模型來說，多個相同類型類器官可以很容易的保證上皮結構或是成分，但在空間形態上就可謂是“姿態萬千”、“各不相同”了，體外的折疊很大程度依賴于邊界條件，往往需要多個組織層之間的相互作用。

為了尋求研究思路，研究人員對自然發育過程進行觀察研究，他們發現一種叫做間充質細胞的分化細胞在某些組織的折疊中發揮重要作用。

這些間充質細胞像是蜘蛛一樣，盤踞在由細胞外基質纖維（用于支撐細胞結構）織就的蛛網中，隨時拉動蛛絲（基質纖維），而似乎正是由此產生的牽引力使組織彎曲折疊形成不同形狀。

“我們意識到將自然發育過程分解成為設計規則是可能的，”文章的第一作者 Alex Hughes說到，“我們可以用這些規則重建、理解組織，這將是組織工程學中一個全新的視角”。

為了驗證間充質細胞是模擬自然界組織折疊的關鍵，Zev J. Gartner 和他的團隊使用了一種叫做 DNA 編輯細胞組裝法的技術，將小鼠或人類的間充質細胞嵌入基質中。由此獲得的組織模板隨著時間的推移可以自發的折疊成如碗、線圈或波浪狀，甚至是自然界中罕見的立方體結構。

“發育學知識目前正在成為協助描繪工程學的畫布，將復雜的發育過程拆解成簡單的設計規則，可以幫助研究人員更好的從生物學層面上理解、操控工程設計，”本文的通訊作者，來自加州大學舊金山分校細胞構造中心的 Zev Gartner 介紹到，“在這種研究背景下，能夠掌握活細胞組織的形變對于未來構建合成復雜的功能結構，可以說是一個絕佳的基礎。”

Gartner的研究同時為其他再生醫學的研究這提供了思路，目前人工器官思路主要集中于類器官培養與生物材料3D打印上。類器官是一種3D細胞培養系統，通過實驗室中對供體干細胞的長時間培養形成器官類似物。由于與供體的高度相似性，目前類器官培養技術正在成為藥物篩選等精準醫療的熱門工具，同樣熱門的還有3D打印技術，但大多數卻因錯失某些細小的結構特點而不具有生物學功能。

“我們的思路是，不直接打印出最終的生物結構，” Gartner說到，“只是打印出一個模板，讓它再隨著時間模擬‘發育，像4D打印一樣”。

未來，該研究團隊希望將這種發育中的折疊規律與其他方法相結合，進一步控制組織的折疊和發育，同時，他們也將致力于組織折疊中細胞分化應答機制的研究。？笏（摘自美《深科技》）（編輯/華生）endprint