华盛顿大学 研究人员用固定的麦克亨利蛋白装饰的两种胶原水凝胶的俯视图，它们在荧光下发出红光
研究小组扫描了怪物形状的近红外激光(左)和西雅图太空针形状的近红外激光(右)来创建这些图案
黑色区域没有用激光扫描，所以麦克亨利蛋白没有附着在水凝胶的那些部分
比例尺为50微米
信用:巴塔洛夫等
，PNAS，2021年 想象一下，去找外科医生，将一个患病或受伤的器官换成一个功能齐全、实验室培育的替代品
这仍然是科幻小说，而不是现实，因为今天的研究人员努力将细胞组织成复杂的三维排列，我们的身体可以自己掌握
在实验室培养器官和组织的道路上，有两大障碍需要克服
首先是使用生物相容的三维支架，细胞可以在其中生长
第二是用正确结构生化信息装饰支架，以触发所需器官或组织的形成
华盛顿大学的研究人员开发了一种技术，用影响细胞行为的基于蛋白质的生化信息来修饰天然存在的生物聚合物，这是将这一希望转化为现实的重要一步
他们的方法发表在1月的一周
18发表在《美国国家科学院院刊》上，使用近红外激光引发蛋白质信息化学粘附到由生物聚合物制成的支架上，如胶原蛋白，这是一种遍布我们身体的结缔组织
UW大学化学工程和生物工程副教授、资深作者科尔·德福特说，哺乳动物细胞对三维支架内粘附的蛋白质信号做出了预期的反应
这些生物支架上的蛋白质触发了细胞内信息传递途径的变化，从而影响细胞生长、信号传递和其他行为
德福特说，这些方法可以构成基于生物学的支架的基础，有朝一日，这些支架可能会使实验室培养的功能性组织成为现实。他也是UW分子工程和科学研究所以及UW干细胞和再生医学研究所的教员
该团队使用近红外激光在胶原水凝胶中创建了一个固定的麦克亨利蛋白质的人类心脏形状的复杂图案，该蛋白质在荧光下发出红光
左边是凝胶3D切片的合成图像
右边是麦克亨利图案的横截面图
比例尺为50微米
信用:巴塔洛夫等
，PNAS，2021年 “这种方法为我们提供了我们一直在等待的机会，在自然衍生的生物材料中对细胞功能和命运施加更大的控制——不仅在三维空间中，而且随着时间的推移，”德福特说
“此外，它利用了可以在四维空间控制的特别精确的光化学，同时独特地保留了蛋白质的功能和生物活性
" 德福特在这个项目上的同事是主要作者伊万·巴塔洛夫，他是前UW大学化学工程和生物工程博士后研究员，也是合著者凯里·史蒂文斯，他是UW大学生物工程和检验医学及病理学助理教授
他们的方法是该领域的第一步，在空间上控制天然存在的生物材料内部的细胞功能，而不是那些合成衍生的
包括德福特在内的几个研究小组已经开发出基于光的方法，用蛋白质信号来修饰合成支架
但是天然生物聚合物对于组织工程来说可能是一个更有吸引力的支架，因为它们天生具有生物化学特性，细胞依靠这些特性来进行结构、通讯和其他目的
“像胶原蛋白这样的天然生物材料固有地包含许多与天然组织中发现的信号相同的信号，”德福特说
“在许多情况下，这些类型的物质通过向细胞提供与它们在体内遇到的信号相似的信号，让细胞‘更快乐’
" 他们研究了两种生物聚合物:胶原蛋白和纤维蛋白，一种参与血液凝固的蛋白质
他们将每一个组装成充满液体的支架，称为水凝胶
圆柱形纤维蛋白水凝胶的俯视图
根据设计，水凝胶的右侧包含固定的δ-1蛋白，它激活细胞内的缺口信号通路
左侧不含固定的δ-1(见插入)
研究小组将人类骨癌细胞引入水凝胶，这些细胞被设计成当其缺口信号通路被激活时会发光
水凝胶的右侧发出明亮的光，表明该区域的细胞已经激活了它们的缺口信号通路
水凝胶左侧的细胞没有
比例尺为1毫米
信用:巴塔洛夫等
，PNAS，2021年 研究小组添加到水凝胶中的信号是蛋白质，这是细胞的主要信使之一
蛋白质有多种形式，都有其独特的化学性质
因此，研究人员设计了他们的系统，采用一种通用机制将蛋白质附着在水凝胶上——两个化学基团，一个烷氧基胺和一个醛之间的结合
在水凝胶组装之前，他们用烷氧基胺基团修饰胶原或纤维蛋白前体，用“笼”物理封闭所有基团以防止烷氧基胺过早反应
笼子可以用紫外线或近红外激光移除
使用之前在德福特实验室开发的方法，研究人员还在他们想附着在水凝胶上的蛋白质的一端安装了醛基
然后，他们将含醛蛋白质与烷氧基胺包被的水凝胶结合，并使用短暂的光脉冲去除覆盖烷氧基胺的笼子
暴露的烷氧基胺容易与蛋白质上的醛基反应，将它们束缚在水凝胶中
研究小组使用带有图案的面具，并改变激光扫描的几何形状，在水凝胶中创造出复杂的蛋白质排列图案——包括一个古老的UW标志、西雅图的太空针、一个怪物和人类心脏的三维布局
拴着的蛋白质功能齐全，向细胞传递所需的信号
大鼠肝细胞——当装载到含有促进细胞生长的表皮生长因子的胶原水凝胶上时——显示出脱氧核糖核酸复制和细胞分裂的迹象
在另一项实验中，研究人员用一种叫做δ-1的蛋白质图案装饰了一种纤维蛋白水凝胶，这种蛋白质激活了细胞中一种叫做缺口信号的特定途径
当他们将人骨癌细胞引入水凝胶时，δ-1模式区域的细胞激活了缺口信号，而没有δ-1模式区域的细胞则没有
德福特说，这些使用多种生物支架和蛋白质信号的实验表明，他们的方法可以适用于几乎任何类型的蛋白质信号和生物材料系统
“现在我们可以开始制造具有许多不同信号的水凝胶支架，利用我们对响应特定蛋白质组合的细胞信号的理解，在时间和空间上调节关键的生物功能，”他补充说
随着更复杂的信号加载到水凝胶上，科学家们可以尝试控制干细胞分化，这是将科幻变成科学事实的关键一步
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