想象一下，為外科醫(yī)生更換一個(gè)患病或受傷的器官，進(jìn)行功能齊全的實(shí)驗(yàn)室植入物替換手術(shù)。這仍然是科幻小說，而不是現(xiàn)實(shí)，因?yàn)榻裉斓难芯咳藛T試圖將細(xì)胞組織成復(fù)雜的3D排列，我們的身體可以自己掌握。
在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)器官和組織的過程中，有兩個(gè)主要障礙需要克服。首先是使用生物相容的3D支架，細(xì)胞可以在其中生長(zhǎng)。第二種方法是用正確配置的生化信息裝飾支架，以觸發(fā)所需器官或組織的形成。
作為將這一希望變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的重要一步，華盛頓大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種技術(shù)，可以通過使用影響細(xì)胞行為的基于蛋白質(zhì)的生化信息來修飾天然存在的生物聚合物。他們的方法發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》年1月18日那一周。這種方法使用近紅外激光觸發(fā)蛋白質(zhì)信息與生物聚合物(如膠原蛋白)制成的支架的化學(xué)粘附，生物聚合物是遍布我們?nèi)淼慕Y(jié)締組織。
威斯康星大學(xué)化學(xué)工程和生物工程副教授科爾德福特說，哺乳動(dòng)物細(xì)胞對(duì)附著在3D支架上的蛋白質(zhì)信號(hào)的反應(yīng)符合預(yù)期。這些支架上的蛋白質(zhì)觸發(fā)了細(xì)胞內(nèi)信息傳遞途徑的改變，從而影響細(xì)胞生長(zhǎng)、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等行為。
德福特說，這些方法可能會(huì)形成基于生物的支架的基礎(chǔ)，這些支架有一天可能會(huì)使功能實(shí)驗(yàn)室中生長(zhǎng)的組織成為現(xiàn)實(shí)。他還是西澳大利亞大學(xué)分子工程和科學(xué)研究所以及西澳大利亞大學(xué)干細(xì)胞和再生醫(yī)學(xué)研究所的教員。
德福特說：“這種方法為我們提供了我們一直在等待的機(jī)會(huì)，可以更好地控制天然衍生生物材料的細(xì)胞功能和命運(yùn)——不僅在三維空間，而且隨著時(shí)間的推移。”“此外，它利用了在4D可以控制的極其精確的光化學(xué)，同時(shí)獨(dú)特地保留了蛋白質(zhì)的功能和生物活性?！?
德福特在這個(gè)項(xiàng)目上的同事是第一作者，前UW化學(xué)工程和生物工程博士后研究員伊萬巴塔洛夫和合著者凱里史蒂文斯，后者是UW生物工程和實(shí)驗(yàn)室醫(yī)學(xué)與病理學(xué)的助理教授。
他們的方法是該領(lǐng)域的第一種方法，它在空間上控制天然生物材料內(nèi)部的細(xì)胞功能，而不是合成衍生材料。包括德福特在內(nèi)的幾個(gè)研究小組已經(jīng)開發(fā)了基于光的方法，通過使用蛋白質(zhì)信號(hào)來修飾合成支架。然而，天然生物聚合物對(duì)于組織工程來說可能是更有吸引力的支架，因?yàn)樗鼈兲烊坏鼐哂屑?xì)胞為結(jié)構(gòu)、通訊和其他目的所依賴的生化特性。
德福特說：“像膠原蛋白這樣的天然生物材料固有地包含許多與天然組織中發(fā)現(xiàn)的信號(hào)線索相同的信號(hào)線索。”“在許多情況下，這些類型的材料通過向細(xì)胞提供類似于體內(nèi)遇到的信號(hào)，讓細(xì)胞‘更快樂’。”
他們研究了兩種類型的生物聚合物：膠原蛋白和纖維蛋白，一種參與血液凝固的蛋白質(zhì)。他們將它們組裝成一種叫做水凝膠的充滿液體的支架。
研究小組給水凝膠添加的信號(hào)是蛋白質(zhì)，它是細(xì)胞的主要信使之一。蛋白質(zhì)有很多種形式，它們都有自己獨(dú)特的化學(xué)特性。因此，研究人員設(shè)計(jì)了他們的系統(tǒng)，并采用了一種將蛋白質(zhì)附著在水凝膠上的通用機(jī)制，即兩個(gè)化學(xué)基團(tuán)(烷氧基胺和醛)之間的結(jié)合。在水凝膠組裝之前，他們用烷氧基胺基團(tuán)修飾膠原或纖維蛋白前體，并用“籠子”物理封閉，防止烷氧基胺過早反應(yīng)?；\子可以用紫外或近紅外激光拆除。
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