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韩晓军团队开发利用磁场编码人造细胞组织

=多细胞生命的形成是进化史上的一个重大突破。与单细胞生命相比,由大量细胞按特定空间排布方式形成的多细胞聚集体,可通过细胞间的协作和通讯,表现出更为高级的整体行为,是地球生物多样性得以形成的关键因素。针对多细胞生命的仿生研究是目前仿生领域的研究内容之一,对于人工生命体系的构建以及组织工程研究具有重要启发意义。该领域的主要研究手段是,将磷脂囊泡、聚合物囊泡、乳液等类细胞单体组装成聚集体,使其作为一个整体对外界刺激进行响应,如信号传递、体积和形状变化以及分化等。但是,将这些类细胞单体组装成聚集体的手段还十分有限,目前的研究通常情况下只是形成几种类细胞体的无序混合物,无法模拟真实组织或器官等多细胞体中细胞的有序排布状态。

 

2020年1月13日,哈尔滨工业大学韩晓军课题组在Nature Communications上发表题为“Programmed magnetic manipulation of vesicles into spatially coded prototissue architectures arrays”的文章。该研究利用磁场将磷脂囊泡或细胞在多孔不锈钢板上组装形成多种复杂的类组织结构。发现:作为整体,在高渗或低渗条件下,囊泡聚集形成的类组织结构表现出单个囊泡无法实现的稳定性;在类组织结构中的囊泡或细胞间,可实现类似多细胞生命体的信号交流。

 

韩晓军团队开发利用磁场编码人造细胞组织

该研究实现囊泡或细胞可控组装的两个关键因素是顺磁性溶液环境和不锈钢模板。囊泡属于抗磁性物质,与生活中的大多数抗磁性物质一样,其抗磁磁化率很小,对普通强度的磁场无响应。根据磁阿基米德效应,在溶液中引入氯化锰或钆布醇等顺磁性介质后,可使囊泡相对于顺磁性溶液表现出较大的相对抗磁磁化率,在普通磁铁提供的磁场下即可做出响应,向弱磁场区域聚集。不锈钢网属于顺磁性材料,在磁场中产生诱导磁场,诱导磁场和外界磁场复合形成特殊的弱磁场微区,引导囊泡组装成特定的结构。囊泡的组装受磁场方向以及多孔不锈钢板的孔形貌和孔排布等因素的影响。通过调控相关影响因素以及囊泡加入顺序,可以得到圆柱形、三角形、方形、条纹状、网格状和不对称型等多种形貌和特定空间排布的类组织结构。

 

在纯水提供的低渗环境,以及NaCl、葡萄糖和氯化钙等提供的高渗环境中,囊泡聚集体形成的类组织结构可以作为一个整体维持其形貌稳定。囊泡在高渗条件下的稳定性与囊泡聚集体所受的不对称渗透压力有关。对于聚集体中与高渗溶液接触的囊泡,其内侧为其他囊泡,外侧为高渗溶液,因此受到朝向囊泡内部的压力。该压力使囊泡聚集体收缩,囊泡间的间隙被封闭,使得囊泡作为一个弹性整体来平衡渗透压力。除了这种整体稳定性,由于囊泡或细胞能够受磁场可控进行有序排布,因此可以通过在囊泡内部包覆不同酶,在类组织聚集体中模拟真实组织分区化的生化反应以及不同分区间的信号交流。

 

韩晓军团队开发利用磁场编码人造细胞组织

 

综上,作者提供了一种利用磁场组装囊泡来得到形貌可控和空间有序排布的人工组织的方法,发现了人工组织在渗透压下的整体稳定性,并实现了其内部分区化反应和信号传递。该成果有望应用于合成生物学、组织工程、以及仿生研究等领域。

 
原文链接:
https://www.nature.com/articles/s41467-019-14141-x.pdf
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