活组织可自发折叠成3D结构，科学家有望解密自然发育过程

组织工程学，又称“再生医学”，是指利用生物活性物质，通过体外培养或构建的方法，再造或者修复器官及组织的技术。随着3D打印技术和类器官培养技术的进步及成熟，越来越多的人造器官或组织在实验室中出现，但大多数在功能上却差强人意。

人类从一颗受精卵到胚胎再到有机体，组织在发育中经历了伸展、皱缩、折叠等一系列复杂而又精密的过程，才最终成为具有完整功能的成熟器官。这形成褶皱、折叠等独特3D结构的神秘旅程，正是无数生物工程师们渴望模拟重现的关键。

而今，来自加州大学旧金山分校的研究者們通过简单的操作，在体外重现了哺乳动物发育中复杂结构的形成过程，这个突破无论是对于基础科学研究、药物测试，还是再生医学应用方面都将具有非凡的意义，文章于 12月28日发表在 Cell 子刊 Developmental Cell 上。

组织间不起眼的一个褶皱可能正是器官行使完整功能的关键，比如大脑或是小肠，自然发育过程中的每个折叠和弯曲看起来都是那么水到渠成，稳定且高度可重复，可想要体外重建和控制却是十分困难。

以目前热门的类器官模型来说，多个相同类型类器官可以很容易的保证上皮结构或是成分，但在空间形态上就可谓是“姿态万千”、“各不相同”了，体外的折叠很大程度依赖于边界条件，往往需要多个组织层之间的相互作用。

为了寻求研究思路，研究人员对自然发育过程进行观察研究，他们发现一种叫做间充质细胞的分化细胞在某些组织的折叠中发挥重要作用。

这些间充质细胞像是蜘蛛一样，盘踞在由细胞外基质纤维（用于支撑细胞结构）织就的蛛网中，随时拉动蛛丝（基质纤维），而似乎正是由此产生的牵引力使组织弯曲折叠形成不同形状。

“我们意识到将自然发育过程分解成为设计规则是可能的，”文章的第一作者 Alex Hughes说到，“我们可以用这些规则重建、理解组织，这将是组织工程学中一个全新的视角”。

为了验证间充质细胞是模拟自然界组织折叠的关键，Zev J. Gartner 和他的团队使用了一种叫做 DNA 编辑细胞组装法的技术，将小鼠或人类的间充质细胞嵌入基质中。由此获得的组织模板随着时间的推移可以自发的折叠成如碗、线圈或波浪状，甚至是自然界中罕见的立方体结构。

“发育学知识目前正在成为协助描绘工程学的画布，将复杂的发育过程拆解成简单的设计规则，可以帮助研究人员更好的从生物学层面上理解、操控工程设计，”本文的通讯作者，来自加州大学旧金山分校细胞构造中心的 Zev Gartner 介绍到，“在这种研究背景下，能够掌握活细胞组织的形变对于未来构建合成复杂的功能结构，可以说是一个绝佳的基础。”

Gartner的研究同时为其他再生医学的研究这提供了思路，目前人工器官思路主要集中于类器官培养与生物材料3D打印上。类器官是一种3D细胞培养系统，通过实验室中对供体干细胞的长时间培养形成器官类似物。由于与供体的高度相似性，目前类器官培养技术正在成为药物筛选等精准医疗的热门工具，同样热门的还有3D打印技术，但大多数却因错失某些细小的结构特点而不具有生物学功能。

“我们的思路是，不直接打印出最终的生物结构，” Gartner说到，“只是打印出一个模板，让它再随着时间模拟‘发育，像4D打印一样”。

未来，该研究团队希望将这种发育中的折叠规律与其他方法相结合，进一步控制组织的折叠和发育，同时，他们也将致力于组织折叠中细胞分化应答机制的研究。？笏（摘自美《深科技》）（编辑/华生）endprint