(資料圖片)

來源：科技日報

科技日報記者 劉霞

西班牙科學家在最新一期《科學》雜志上發(fā)表論文稱，他們首次證明：通過控制活組織內(nèi)細胞的朝向，就能引導組織產(chǎn)生的力，進而決定其最終形狀。這一成果為設(shè)計能自主改變形狀的活體表面提供了新途徑，應(yīng)用前景涵蓋組織工程和生物混合機器人等諸多領(lǐng)域。

生物組織在自身細胞產(chǎn)生的力的驅(qū)動下，擁有驚人的自組織和形變能力。生物工程領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)是，正是利用這一自然現(xiàn)象，制造出能按預定形狀生長的合成活體材料。然而，如何精準調(diào)控組織行為、引導其內(nèi)部力量以得到所需形狀，仍是重大科學難題。

在最新研究中，西班牙加泰羅尼亞生物工程研究所、加泰羅尼亞理工大學-巴塞羅那理工學院等機構(gòu)科學家攜手提出新策略：通過化學圖案控制細胞在組織中的排列方向，從而“編程”形狀變化。

細長細胞組成的生物組織，常會自組織成多細胞區(qū)域，即所有細胞沿同一方向排列，這種現(xiàn)象被稱為“向列序”。但向列序偶爾會在某些點發(fā)生斷裂，形成“拓撲缺陷”。在生物體內(nèi)，缺陷充當力的匯聚點，能影響組織的生長、遷移和變形。

為引導這些力，團隊利用化學微圖案在平面上勾勒線條。他們用附著于細胞的蛋白質(zhì)實現(xiàn)圖案化，再以細胞無法附著的聚合物區(qū)域包圍線條。這樣，細胞便會沿線條排列，形成所需的朝向圖，從而將拓撲缺陷精準定位到特定位置，決定組織內(nèi)部力的產(chǎn)生點。

關(guān)鍵發(fā)生在將組織從生長基質(zhì)上剝離的那一刻。當組織仍附著時，細胞產(chǎn)生的內(nèi)力被錨定在支撐物上，無法改變形狀。一旦解除機械約束，積累的應(yīng)力便可自由釋放，重新分布。

團隊還開發(fā)了理論模型。這些模型使他們能夠預測：特定的細胞朝向模式，最終會轉(zhuǎn)化成怎樣的三維形狀。模型還幫助檢驗了多種假設(shè)，最終確定了細胞朝向?qū)е陆M織三維折疊的機制。

這項概念驗證研究為眾多應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，如組織工程無需人工支架即可構(gòu)建三維結(jié)構(gòu)；生物混合機器人利用可變形的活組織作為生物致動器，以及可重構(gòu)形狀和功能的智能活體材料等。除應(yīng)用價值外，該方法也為研究器官形成、腫瘤行為等生物現(xiàn)象提供了新工具。

關(guān)鍵詞： 細胞 拓撲 自組織