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将人类肝脏细胞与凝胶结合以制成组织结构,科学家们对水凝胶特性进行了广泛的测试

发布时间 : 2020-03-26 22:51    点击量:

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中国科学家世界首创新型细胞培养变色水凝胶

LiU的科学家开发了一种新方法来生产水合物质,水凝胶,其性质类似于体内细胞的自然环境。该材料可以适应难以培养的细胞类型的各种要求,并在微芯片上产生器官样结构。

据南极熊了解,日前,结合了来自哈佛、麻省理工等全球七个机构的科学家团队的最新肝脏组织研究,科学家们结合在3D生物打印、微流体芯片和水凝胶生物支架等多方面的综合知识将体外肝脏药物测试推向了另一个高度。3D打印的肝脏芯片用于药物测试能够更安全、更可靠的进行,且更适合动物和人类的疾病研究。这项研究的地点集中在哈佛大学医学院和麻省理工学院的卫生科学和技术部门。根据“纽约时报”2015年发表的数据,每5,000种新的药物成分组合中只有一种能够通过层层测试最终成为批准上市的药物。

蚯蚓切成两半可以再生,壁虎断尾后可以重新生长,与动物神奇的再生能力不同,人体组织和器官的损伤修复离不开组织工程技术的发展,其技术核心是构建细胞培养基质材料,实现受损组织和器官的重建。日前,天津大学教授仰大勇世界首创新型细胞培养变色水凝胶,实现在观测细胞三维培养过程中基质材料荧光的即时可控开关。

在实验室培养的细胞有许多应用,其中之一是测试各种新物质是否会损害细胞。一种称为片上器官的快速发展的技术涉及在小芯片上培养来自人体器官的细胞,并提供氧气和营养物质。科学家们正在尝试开发越来越复杂的模型,模拟组织或完整器官在体内的功能。这些模型可以用于医学研究的许多领域,例如测试潜在的药物,并且从长远来看,可以取代一些动物实验。

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该成果发表于国际期刊《先进科学》,相关材料和技术已申请中国发明专利。据了解,这一新材料在生物医学领域具有巨大的应用潜力,它为细胞提供了一个更加接近体内生存条件的微环境,可作为一种优良的细胞培养基质用于干细胞的三维培养,实现组织修复和器官再生,为造福人类生命健康带来新的希望。

然而,培养人体细胞并不容易。它们通常具有非常特殊的要求,并且容易死亡。在体内,细胞被称为基质的支撑结构包围。这是一种水合凝胶,主要由蛋白质和碳水化合物组成。细胞的环境从一种组织类型到另一种组织类型不同,并且对细胞功能具有重大影响。LiU的研究人员正在开发软材料,模仿身体细胞的自然环境,用于细胞培养。

由Ali Khademhosseini和Su Ryon Shin带领的科学家团队通过人类细胞的培养从而制造出肝脏芯片,这个芯片的特殊之处不仅仅在于使用的是人类的细胞,还在于拥有匹配的血管结构,可以给组织细胞输送营养。

三维细胞培养技术是目前人类再造人体组织和器官的主要手段,科学家已经利用这一技术成功培育出轮廓逼真、自然柔软的人造“耳朵”和“鼻子”。“如果说细胞是一粒种子,而我们研制的新型水凝胶就好像肥沃的土壤,不仅为种子的生长提供牢固的根基和充足的养分,同时创造一种发光环境,为更好地观察种子生长提供便利。”仰大勇介绍。

我们的新材料可以在很大范围内调整性能。新的功能,例如细胞所需的小蛋白质片段,可以被合并,这样即使是挑剔的细胞也可以复制和发挥作用,Daniel Aili说道,他和Carl-Fredrik Mandenius一起领导了这项研究。两人均在物理,化学和生物学系(IFM)工作。

库博体育app ,首先,将人类肝脏细胞与凝胶结合以制成组织结构。将藻类的墨水排列打印成肝脏中的血管,随后藻类油墨溶解,在凝胶的中心留下中空通道。使用注射器,将脐静脉内皮细胞泵入中空通道并呈现血管的形状。引进血流时,通道呈现完全血管化的特征。

他们研发的新型细胞培养变色水凝胶具有良好的生物相容性,对细胞没有毒副作用,可以作为一种优良的三维细胞培养基质。特别值得一提的是,这种水凝胶对于外加的离子刺激具有快速可逆荧光响应,在观测细胞时能实现基质荧光的实时开关可控,这些外加的离子对于细胞生长没有影响。

该材料在生物制造的文章中描述,由两种在水中混合的组分和活细胞组成。发生化学反应,使组分形成水合凝胶,水凝胶,类似于天然存在的基质。这种化学反应是自发发生的,不会影响细胞。科学家们对水凝胶特性进行了广泛的测试,并将其与其他常用材料进行了比较。

然后将该微流体芯片放置在生物反应器内部,保持细胞生长和增殖的恒定条件。实验结果表明,“生物打印血管并与生物反应器的集成有助于创建更接近于现实的肝脏芯片,缩小体外和体内药物测试之间的差距。带血管的肝脏芯片有助于观察和预测微循环水平的药物毒性机制。

可以做到荧光“关”时,用于消除背景荧光的干扰,从而更方便地观测多染色的细胞结构;荧光“开”时,“点亮”基质,用于定位细胞在基质中的相对位置。

我们可以在很大范围内调整水凝胶的机械性能。我们还可以控制凝胶的形成速度:重要的是不要太快或太慢,Daniel Aili说。

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相关论文信息:

肝脏在测试新药物时很重要,因为肝脏处理了我们服用的许多药物。出于这个原因,研究人员使用水凝胶测试了使用干细胞培养的肝细胞来制造人体肝脏。研究小组能够调整材料,使这些相当苛刻的细胞能够扩散和发挥作用。在其基本配置中,水凝胶不含蛋白质,但研究人员在材料中包含了在人体肝脏周围组织中发现的重要蛋白质的合成片段。当他们将这种蛋白质模拟组分添加到水凝胶中时,芯片上的肝细胞开始产生白蛋白,就像肝脏在体内一样。实验室外套中的年轻人与水凝胶一起工作。

在肝脏器官芯片的商业化领域,美国食品药品监督管理局已经开始测试一种肝脏芯片。这是一种模拟人类器官生物功能的迷你模型,FDA将测试它是否可以有效地为人体对食物以及食源性疾病的反应建模。这些实验能帮助FDA决定,医药公司在为可能具有毒性的新化合物提出批准申请时,是否可以用芯片数据替代动物试验数据。监管机构尝试用器官芯片替代动物试验,这在全球范围内是首次。

我们材料的主要意义可能在于开发有用的肝脏模型,可用于简化药物开发的早期阶段。对于想要控制细胞培养物质含量的人来说,我们的水凝胶非常有趣。并且它很容易适应不同类型的细胞和组织,Daniel Aili说。

2017年4月11日,FDA食品安全部门的毒理学高级顾问Suzanne Fitzpatrick在一则博客上公布了FDA的这一动向。虽然这类芯片是被设计用于测试药物的,但Fitzpatrick所在的部门也想用它们来试一试单个器官对膳食补充剂和化妆品等产品的反应。他们还能用器官芯片来测试食源性病原体影响特定器官的具体过程。FDA的食品安全科学家们将首先评估人类肝脏芯片,接着会测试肾脏、肺和肠道模型。

这些芯片由位于美国麻省波斯顿市的生物技术公司Emulate制造。这种迷你器官里包含多种人类肝脏细胞,它们长在支架上。类似血液的液体被源源不断地泵入这个系统,为细胞输送营养物质并带走代谢废物。此外,还可以在芯片中添加免疫系统组分,以测试对肝脏新陈代谢的影响。

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时至今日,全世界的科学家在人工血管、软骨组织,肾脏、肝脏、皮肤等用于研究和药物测试的器官3D打印领域取得了不同程度进展。通过3D打印与干细胞培养技术的结合正在缩小体外测试与体内测试的差距。

人体组织和器官都是数以万计的细胞组成的。比如心脏是由比较单一的心肌细胞组成的,而肾脏则细胞种类较多,仅肾小球中就有:血管内皮细胞,肾小囊壁层上皮细胞,肾小囊脏层上皮细胞,系膜细胞。千里之行始于足下,人体器官3D打印亦不例外,不论构成他们的细胞种类有多少,都要从培养细胞做起。

用常规培养方式培养的细胞,其形态和功能与人体内的细胞并不完全相同。而用使用生物3D打印技术,可以让细胞按照预先的设计的形状和细胞之间的联系生长,更贴近人体的真实情况,从而达到模拟人体组织和器官的目的。无论是人造血管、软骨组织,还是肝脏组织、肾脏组织,其核心是特定类型细胞的分离及大规模扩增。

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除了哈佛大学与麻省理工在肝领域的进展,由阿斯顿大学主导,并由Axol Bioscience公司、汉诺威激光中心、巴塞罗那大学、光子科学研究所和KITE Innovation等机构共同参与了MESO-BRAIN项目,目标是将使用人类诱导多能干细胞在一种轮廓分明、重现性好的3D支架上分化成神经元,以支持可以模拟人类大脑活动的人类神经网络的发展,以提高对包括帕金森病、老年痴呆和大脑 损伤在内的诸多脑部疾病的认识和治疗。MESO-BRAIN还有望实现大规模基于人类细胞的检测,以测试药理学和毒理学化合物对神经网络活动的调节性影响。3D 支架构建出来的人工神经网络如果用于药物测试领域,将增加药物筛选效率、减少动物实验。

项目组的科研人员表示,3D支架结构是根据一种基于大脑皮质模块设计的,制造支架的是纳米级3D激光打印技术,完成支架打印之后再融入纳米电极以实现对神经网络的电生理分析。MESO-BRAIN项目还计划使用一种基于光片照明的快速容积成像技术进行光学分析,从而在整个3D网络中实现细胞级的分辨率。

除了用于药物测试和移植的器官的可能性,3D打印技术已经成功地用于创建骨骼,包括脊椎骨,下颌骨,和整个胸廓,以及软骨结构,如耳朵和气管。3D打印技术未来的应用包括3D生物打印的现场,可以帮助在战场上修复伤口,而3D打印的皮肤能够恢复正常的烧伤,或仅仅是用于美容化妆。

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