毫無(wú)疑問(wèn)，將人類胚胎用于生物和醫(yī)學(xué)研究會(huì)帶來(lái)許多倫理問(wèn)題。誠(chéng)然，在這些問(wèn)題上我們要謹(jǐn)慎行事，但事實(shí)是，能夠更準(zhǔn)確地研究人類生物學(xué)將使許多科學(xué)受益。

其中一種解決辦法是使用替代工具——科學(xué)家稱之為體外模型。在構(gòu)建體外模型上，成人組織是取得了一些進(jìn)展，但在模擬人類胚胎早期發(fā)育過(guò)程時(shí)，情況變得復(fù)雜起來(lái)。

現(xiàn)在，EPFL生物工程研究所的科學(xué)家們已經(jīng)從胚胎干細(xì)胞出發(fā)開(kāi)始打造“體外胚胎”了。

EPFL教授Matthias Lütolf說(shuō)：“在生物體構(gòu)建組織時(shí)，一個(gè)棘手的問(wèn)題是如何以適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)和劑量向培養(yǎng)中的細(xì)胞呈現(xiàn)關(guān)鍵的信號(hào)分子（也稱為成形素，morphogens），只需將一組干細(xì)胞暴露于單一濃度的成形素中，就會(huì)導(dǎo)致無(wú)法控制的形態(tài)發(fā)生，因?yàn)檫@些細(xì)胞缺乏重要的指示。”

在發(fā)育中的胚胎，干細(xì)胞從所謂的“信號(hào)中心”所接收的成形素是在一個(gè)高度動(dòng)態(tài)的區(qū)間范圍。正是這樣的梯度告訴干細(xì)胞要形成什么樣的特殊細(xì)胞和組織。

為了實(shí)現(xiàn)這一環(huán)境，Lütolf實(shí)驗(yàn)室的Andrea Manfrin博士開(kāi)發(fā)了一種將培養(yǎng)中的人類胚胎干細(xì)胞暴露于梯度濃度的成形素中，模擬原腸胚形成的現(xiàn)實(shí)條件的方法，在該階段胚胎的細(xì)胞開(kāi)始轉(zhuǎn)化為不同的細(xì)胞類型和組織。

方法包括在一種具有小通道芯片的微流體裝置中培養(yǎng)干細(xì)胞，可精確控制微量液體。研究人員一邊在微流控芯片上培養(yǎng)干細(xì)胞，一邊將其暴露于各種濃度梯度的成形素。

結(jié)果令人印象深刻：細(xì)胞發(fā)育和組織成了不同類型的細(xì)胞域，這取決于它們所接觸的濃度。科學(xué)家們報(bào)告說(shuō)，他們能夠成功地模擬原腸胚形成的各個(gè)方面，為在實(shí)驗(yàn)室以更可控的方式生長(zhǎng)特定的人體組織鋪平了道路。

Manfrin解釋說(shuō)：“我們假設(shè)，設(shè)計(jì)一個(gè)‘離體’人工信號(hào)中心可以讓我們引導(dǎo)干細(xì)胞群體的自我組織達(dá)到預(yù)期效果。這對(duì)于實(shí)現(xiàn)組織和器官工程具有明顯優(yōu)勢(shì)。”包括用于藥物檢測(cè)和再生醫(yī)學(xué)的新工具。這項(xiàng)新技術(shù)還可以幫助科學(xué)家研究與發(fā)育生物學(xué)相關(guān)的過(guò)程，如原腸胚形成，并在某些研究領(lǐng)域提供動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的替代方法。

“我們的長(zhǎng)期目標(biāo)之一是為移植設(shè)計(jì)器官，”Lütolf說(shuō)，他已經(jīng)與洛桑大學(xué)醫(yī)院等其他組織合作，用病人來(lái)源的細(xì)胞生成小型器官（類器官）。“我們離培養(yǎng)皿中的功能器官還很遠(yuǎn)，但干細(xì)胞生物學(xué)和生物工程的最新進(jìn)展使我樂(lè)觀地認(rèn)為這可能成為現(xiàn)實(shí)。關(guān)鍵是要更好地了解細(xì)胞本身如何在胚胎中構(gòu)建組織和器官”。

Funding

Horizon 2020 (“EPFL Fellows”), Canadian Institute of Health Research, SystemsX.ch Transition Postdoc Fellowship and StoNets, EU Framework 7 (Plurimes), Swiss National Science Foundation, ETH Board Personalized Health and Related Technologies Initiative, EPFL

References

Andrea Manfrin, Yoji Tabata, Eric R. Paquet, Ambroise R. Vuaridel, Fran?ois R. Rivest, Felix Naef, Matthias P. Lutolf. Engineered signaling centers for the spatially controlled patterning of human pluripotent stem cells. Nature Methods 27 June 2019. DOI: 10.1038/s41592-019-0455-2

原文鏈接：

https://actu.epfl.ch/news/growing-embryonic-tissues-on-a-chip/

Author: Nik Papageorgiou

Source: Mediacom