在地球生物進(jìn)化過(guò)程中，最原始的單細(xì)胞生物如何進(jìn)化成多細(xì)胞生物，并演化成具有組織和器官的高等生物，科學(xué)家們一直在通過(guò)各種方法試圖揭曉答案，借助人工組織是其中的一種研究途徑。
近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工與化學(xué)學(xué)院韓曉軍教授及團(tuán)隊(duì)成員李慶川、李書(shū)彬等人，在國(guó)際著名雜志《自然·通訊》上發(fā)表論文稱(chēng)，團(tuán)隊(duì)利用程序化磁控方法，構(gòu)建出了形狀可控的人工組織，為研究多細(xì)胞生物的進(jìn)化提供了寶貴模型。這項(xiàng)醫(yī)工結(jié)合的學(xué)術(shù)成果設(shè)計(jì)新穎，還將在合成生物學(xué)、組織工程學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域，以及修復(fù)受損機(jī)體、篩選抗癌藥物和深入探討惡性腫瘤形成機(jī)理等方面，有著廣闊的應(yīng)用前景。
“類(lèi)細(xì)胞”選材于巨型磷脂囊泡
在地球生命的進(jìn)化過(guò)程中，組織或器官由特定空間排布的細(xì)胞組成，以整體行為執(zhí)行比單細(xì)胞更高級(jí)的生物學(xué)功能，是生物多樣性得以形成的關(guān)鍵因素。韓曉軍介紹說(shuō)，開(kāi)展基于人造細(xì)胞的組織構(gòu)建研究，可以為人類(lèi)了解多細(xì)胞生物內(nèi)部世界之謎打開(kāi)“一扇窗”，并為可植入體內(nèi)的人工組織的設(shè)計(jì)和構(gòu)建奠定理論基礎(chǔ)。
現(xiàn)階段，在國(guó)內(nèi)外的實(shí)驗(yàn)室里，脂質(zhì)體、聚合物體和油包水液滴等“類(lèi)細(xì)胞”結(jié)構(gòu)已經(jīng)被用來(lái)創(chuàng)建人工組織，但當(dāng)前大多數(shù)組織樣結(jié)構(gòu)都是某些“類(lèi)細(xì)胞”結(jié)構(gòu)的無(wú)定形聚集體。研究證實(shí)，巨型磷脂囊泡是細(xì)胞的理想模型，而將大量巨型磷脂囊泡組裝成空間編碼的類(lèi)組織結(jié)構(gòu)以模仿自然組織，科學(xué)家們努力多年一直沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。
組裝成各種形態(tài)的類(lèi)組織結(jié)構(gòu)
韓曉軍解釋說(shuō)：“組織、器官、系統(tǒng)的形成，都是建立在細(xì)胞的分裂、分化和生長(zhǎng)基礎(chǔ)之上的，只有分化成專(zhuān)門(mén)的細(xì)胞和器官，生命活動(dòng)才能更高效地進(jìn)行。”不僅如此，多細(xì)胞的優(yōu)越性還體現(xiàn)在對(duì)突發(fā)性事件的抗擊能力上，這就和在原始部落中人們?nèi)壕由畹那闆r類(lèi)似，當(dāng)面對(duì)野獸侵襲時(shí)，若是部落里個(gè)別人落了單之后，就必然難逃被獵殺的命運(yùn)。
韓曉軍團(tuán)隊(duì)在研究中以高滲和低滲溶液模擬“野獸”的角色，分別對(duì)單細(xì)胞和多細(xì)胞構(gòu)成的人工組織展開(kāi)“襲擊”，發(fā)現(xiàn)單細(xì)胞迅速破裂，遭到損害;而多細(xì)胞打造成的人工組織堅(jiān)不可摧，顯示出磐石般的穩(wěn)定性。這一現(xiàn)象提示多細(xì)胞凝聚成的組織群體呈現(xiàn)出來(lái)的強(qiáng)大集體力量。
根據(jù)磁阿基米德效應(yīng)，引入順磁性介質(zhì)可增強(qiáng)抗磁力作用，能夠驅(qū)使抗磁性物質(zhì)移動(dòng)到局部磁場(chǎng)最弱區(qū)域。韓曉軍團(tuán)隊(duì)借鑒這一原理，率先在不銹鋼網(wǎng)內(nèi)部經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)網(wǎng)孔的形狀、網(wǎng)孔的距離等，用巨型磷脂囊泡充當(dāng)人造細(xì)胞，組裝成擁有特定空間排布的各種組織形態(tài)，包括三角形、方形、圓形、甚至類(lèi)似古錢(qián)幣的圓形方孔等形態(tài)。通過(guò)控制施加磁場(chǎng)的空間位置、時(shí)間順序，以精確調(diào)控多種人造細(xì)胞的空間排列，使其呈現(xiàn)各種形態(tài)的類(lèi)組織結(jié)構(gòu)。
有望“定制”功能復(fù)雜的可移植器官
除了可幫助人們理解生命起源，這項(xiàng)多細(xì)胞人工組織的研究，還將在維護(hù)人類(lèi)身體健康中發(fā)揮作用。時(shí)下，隨著人們生活水平的日益提高，暴飲暴食、抽煙酗酒、工作壓力陡增、日常作息規(guī)律嚴(yán)重?cái)_亂等不良習(xí)慣層出不窮，對(duì)人體健康帶來(lái)了極大危害。比如，在醫(yī)院里，因?yàn)榧膊〉慕K末期而等待更換心、肝、腎、大小腸等器官的危重病人數(shù)量龐大，而器官移植的供體十分奇缺，手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)巨大，預(yù)后效果難以預(yù)料。
構(gòu)建體外人工組織并賦予其生命活力，有望向制備可臨床移植的人造器官邁出一大步。在不遠(yuǎn)的將來(lái)，擁有復(fù)雜功能的“定制”器官或?qū)⑻娲鎸?shí)的器官植入人體內(nèi)，從根源上突破器官不足的“瓶頸”。韓曉軍團(tuán)隊(duì)在研究中將兩種人工細(xì)胞混合“搭建”成人工組織，其中一種人造細(xì)胞內(nèi)部經(jīng)生化反應(yīng)生成的產(chǎn)物，可擴(kuò)散到另外一個(gè)細(xì)胞內(nèi)部，并引起生化“互動(dòng)”，進(jìn)而得到了有信號(hào)傳遞功能的人工組織。這使科學(xué)家制造功能更加復(fù)雜的人工組織有望“夢(mèng)想成真”。
韓曉軍教授指出，人工組織的制作及功能的模擬雖然取得了初步進(jìn)展，但距離合成真正具備自主功能的人造器官尚有很長(zhǎng)的一段路要走，還需要根據(jù)現(xiàn)有科研結(jié)果，向著更復(fù)雜、更精細(xì)、更接近生物功能的方向靠近。(記者 李麗云 通訊員 衣曉峰)
