在从卵子到胚胎再到成熟生物体的旅程中，我们的身体像一张非常复杂的折纸一样伸展、起皱和折叠。现在，美国加州大学旧金山分校的生物工程师已经证明，许多构成哺乳动物身体计划和内部组织结构的复杂折叠形状，都可以通过非常简单的指令进行再造，为未来从实验室生长的器官到软体生物机器人的应用奠定了基础。
在他们的新论文中，研究人员发现被称为间充质细胞的特殊细胞在发育过程中折叠一些组织方面发挥着特殊的作用。就像蜘蛛拉网一样，这些细胞可以伸展到绳索状的细胞外基质纤维网络中，细胞自然分泌到它们周围以获得结构支撑。
研究人员发现，当组织不同部位的间充质细胞同时牵拉ECM纤维网时，会在组织内产生作用力，使其弯曲折叠成各种形状，从手指状绒毛到肠道排出并帮助消化的花芽，最终形成动物毛发或羽毛。
研究人员随后证明，他们可以利用这些自然发育过程来重组实验室样本中的组织褶皱。通过铺设老鼠或人类间充质细胞的特定图案，研究人员可以将生物组织的薄板折叠成碗状、线圈状和波纹状，以及更抽象的形状，例如通常在自然界中找不到的立方体。
“发展已经开始成为工程的画布。通过将开发的复杂性分解成更简单的工程原理，科学家开始更好地理解并最终控制基础生物学。在这种情况下，机械活性细胞促进组织形态变化的内在能力是构建复杂且功能性合成组织的理想基础，”资深作者Zev Gartner博士说，他是旧金山加州大学药学院药物化学副教授、旧金山加州大学细胞构建中心的研究员Chan Zuckerberg Biohub和联合主任，该中心旨在“将生物学转化为工程学科”。
Gartner表示，这项工作的目标之一是提高生物学家创造组织“类器官”的能力——这是一种实验室生长的微小组织，通常由人类患者的干细胞生长而成——这已经成为精准医学中越来越受欢迎的工具，例如，允许研究人员筛选能够有效对抗特定患者疾病的药物。
该实验室使用3D打印或微制造技术为组织工程创建3D形状，但最终产品往往忽略了根据开发计划生长的组织的关键结构特征。Gartner的实验室方法使用精确的三维细胞模式技术，称为DNA编程细胞组装(DPAC)，建立组织的初始空间模板，然后将其自身折叠成复杂的形状，以复制组织在开发过程中如何分层组装自己。
“我们的感觉是，你不能用生物打印机直接打印最终的生命结构，”Gartner说。“你需要打印一个模板，它将通过人工开发随着时间的推移而发展，或者你可以称之为四维生物打印。”
Gartner和他的团队现在想知道他们是否可以将控制组织折叠的开发计划与控制组织模式的开发计划结合起来。他们还想开始了解细胞在体内组织折叠过程中发生的机械变化是如何分化的，并从胚胎发育的特定阶段获得灵感。未来，Gartner设想利用这些原理，在实验室中为人体器官生长技术的移植提供信息，或者设计一个由活体活性材料组成的软机器人。
第一作者、Gartner Lab博士后学者Alex Hughes博士说：“我们开始看到，将自然开发过程分解为工程原理是可能的，然后我们可以重用它们来构建和理解组织。"这是组织工程的一个新角度."
“让我惊讶的是这个想法有多有效，细胞的表现如何，”Gartner说。“这个想法告诉我们，当我们揭示强大的开发设计原则时，它们只能被我们从工程角度的想象力所限制。”
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