激光和分子系绳使组织工程成为可能

想象一下，去找一位外科医生，把一个有病或受伤的器官换成一个功能齐全的、实验室培育的替代品。这仍然是科幻小说，而不是现实，因为今天的研究人员正努力将细胞组织成复合体3 d我们的身体可以自己掌控的安排。

在通往成功的道路上有两个主要的障碍需要克服实验室生长的器官和组织．第一种是使用生物兼容的3D支架，细胞可以在其中生长。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。

华盛顿大学的研究人员开发了一种技术，可以用基于蛋白质的生化信息来修饰自然产生的生物聚合物，从而影响细胞行为，这是将这一希望转化为现实的重要一步。他们的方法使用了近红外激光为了触发蛋白质信息的化学粘附到由生物聚合物制成的支架上，如胶原蛋白，一种遍布我们身体的结缔组织。

据华盛顿大学化学工程和生物工程副教授、高级作者Cole DeForest称，哺乳动物细胞对3D支架内粘附的蛋白信号做出了预期的反应。这些生物支架上的蛋白质触发了细胞内信息传递途径的改变，从而影响细胞生长、信号传导和其他行为。

这些方法可以形成生物支架的基础，也许有一天，实验室培养的功能性组织将成为现实，DeForest说，他也是华盛顿大学分子工程与科学研究所和华盛顿大学干细胞和再生医学研究所的一名教员。

“这种方法为我们提供了等待已久的机会，在天然生物材料中对细胞功能和命运施加更大的控制——不仅在三维空间，而且在时间上，”DeForest说。“此外，它利用了非常精确的光化学，可以在4D中控制，同时独特地保存蛋白质功能和生物活性。”

DeForest的同事是该项目的主要作者Ivan Batalov，他是华盛顿大学化学工程和生物工程的前博士后研究员，以及合著者Kelly Stevens，华盛顿大学生物工程、实验室医学和病理学助理教授。

研究小组通过一个剪成前华盛顿大学标志形状的面具，用紫外线照射水凝胶。黑色区域在光线下被掩盖，因此mCherry蛋白没有附着在水凝胶的那些部分。比例尺是50微米。

他们的方法是这一领域的第一个，在自然产生的生物材料中控制细胞功能，而不是那些合成的生物材料。包括DeForest在内的几个研究小组已经开发出基于光的方法，用蛋白质信号来修饰合成支架。但天然生物聚合物可以成为组织工程中更有吸引力的支架，因为它们天生具有细胞在结构、通讯和其他用途上所依赖的生化特性。

“像胶原蛋白这样的天然生物材料本身就包含许多与天然组织中发现的信号信号相同的线索，”DeForest说。“在很多情况下，这些类型的材料通过向细胞提供类似于它们在体内会遇到的信号，让细胞‘更快乐’。”

他们使用了两种生物聚合物:胶原蛋白和纤维蛋白(一种参与血液凝固的蛋白质)。他们将它们组装成充满液体的支架，称为水凝胶．

研究小组向水凝胶中添加的信号是蛋白质，它是细胞的主要信使之一。蛋白质有很多种形式，都有自己独特的化学性质。因此，研究人员设计的系统采用了一种通用机制，将蛋白质连接到水凝胶上——即两个化学基团之间的结合，一个烷氧基胺和一个醛。在水凝胶组装之前，他们用烷氧胺基团装饰胶原或纤维蛋白前体，所有的物理上都用一个“笼”来阻止烷氧胺过早反应。笼子可以用紫外线或近红外激光移除。

这是一个圆柱形纤维蛋白水凝胶的俯视图。通过设计，水凝胶的右侧包含了固定的Delta-1蛋白，它可以激活细胞内的Notch信号通路。左侧不包含固定的Delta-1(见插入)。该团队将人类骨癌细胞引入水凝胶中，当Notch信号通路被激活时，这些细胞就会发光。水凝胶的右侧会发出明亮的光，这表明该区域的细胞已经激活了Notch信号通路。水凝胶左侧的细胞没有。比例尺是1毫米。

资料来源:Batalov等人，PNAS, 2021年

利用DeForest实验室以前开发的方法，研究人员还在蛋白质的一端安装了醛基，他们想要附着在水凝胶上。然后，他们将含醛的蛋白质与涂有烷氧基胺的水凝胶结合起来，用短暂的光脉冲去除覆盖烷氧基胺的笼状物。暴露的烷氧基胺很容易与蛋白质上的醛基反应，将它们固定在水凝胶中。该团队使用了切割图案的面具，以及激光扫描几何形状的改变，在水凝胶中创建了复杂的蛋白质排列模式，包括一个旧的华盛顿大学标识、西雅图的太空针、一个怪物和人类心脏的3D布局。

栓系的蛋白质功能齐全，可以向细胞传递所需的信号。当大鼠肝细胞被加载到含有一种名为EGF的蛋白质的胶原水凝胶上时，它显示出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的蛋白质图案装饰了一种纤维蛋白水凝胶，这种蛋白质图案可以激活细胞中一种叫做Notch信号的特定途径。当他们将人类骨癌细胞引入水凝胶时，Delta-1模式区域的细胞激活了Notch信号，而没有Delta-1的区域的细胞则没有。

这些对多种生物支架和蛋白质信号的实验表明，他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，DeForest说。他补充说:“现在我们可以开始创造具有许多不同信号的水凝胶支架，利用我们对特定蛋白组合响应的细胞信号的理解，在时间和空间上调节关键的生物功能。”

通过将更复杂的信号加载到水凝胶中，科学家可以尝试控制干细胞的分化，这是将科幻小说变成科学事实的关键一步。

这项研究发表在《美国国家科学院院刊》上。