DNA引导的人组织3D打印

最近，加州大学旧金山分校（UCSF）带领的一个研究小组，开发出一种技术来构建人体组织的微模型（称为类器官），他们使用一个比以前更精确的过程，将人类细胞转变为乐高积木的生物等价物。这项新技术被称为DNA Programmed Assembly of Cells (DPAC)，发表在八月三十一日的《Nature Methods》。

　　

生物通报道：最近，加州大学旧金山分校（UCSF）带领的一个研究小组，开发出一种技术来构建人体组织的微模型（称为类器官），他们使用一个比以前更精确的过程，将人类细胞转变为乐高积木的生物等价物。这些长在培养皿中的小型组织，可以用来研究“组织的特定结构特征，如何影响正常生长或出错癌变”。它们可以用于治疗药物的筛选，并帮助研究人员学会制备整个人体器官。延伸阅读：世界首次用3D打印挽救重病儿童。

这项新技术被称为DNA Programmed Assembly of Cells (DPAC)，发表在八月三十一日的《Nature Methods》，使研究人员能够制备成千上万个定制化的类器官，如人类乳腺腺体模型，每一个模型含有几百个细胞，可以在大约几个小时之内制备完成。

该论文的资深作者、UCSF药物化学副教授Gartner博士说：“这项技术可以模仿的组织没有什么限制。我们可以采用我们想要的任何类型的细胞。我们可以在最早期阶段，精确地控制谁在与谁谈话，谁接触谁。然后，细胞按照这些最初编程的空间线索，来相互作用、移动，并随着时间的推移发展成组织。”

Gartner表示：“一个潜在的应用是，在未来几年内，我们可以从癌症患者乳腺的不同组件抽取样本，并构建他们组织的一个模型，用作个性化的药物筛选平台。另一种应用是，将来有一天，使用我们从这些模型学到的组织生长规则，来制备完整的器官。”

我们的身体是由10万亿个细胞组成，可分为多种不同的种类，每一个细胞都有其独特的作用，使我们的身体保持活力和健康。在不同器官系统中，这些细胞在结构上将自我组织起来的方式，可帮助它们协调其惊人的多种行为和功能，保持整个生物机器运行平稳。但是在乳腺癌等疾病中，这个顺序的故障，与肿瘤的迅速生长和扩散有关。

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Gartner说：“细胞不是孤独的小机器人。它们通过网络进行沟通，做出群体决策。就像在任何复杂的组织中一样，你真的需要得到该组织的结构才能获得成功。在人体组织的背景下，当组织失败时，就为癌症埋下了隐患。”

但是，研究“复杂组织（如乳腺）的细胞是如何自我组织、作出群体决策、疾病的分解等”，一直是研究人员面临的挑战。生物体往往太过于复杂，因此不能确定一种特定细胞行为的具体原因。另一方面，培养皿中的细胞缺乏现实三维结构的关键要素。

Michael Todhunter博士与Noel Jee博士带领了这项新研究，Michael说：“这项技术让我们能够在培养皿中制备组织的简单组件，这样我们就可以很容易地学习和操作。它让我们能够探索关于复杂人体组织的问题，而不需要在人身上做实验。”

为了详细地说明他们这些类器官的三维结构，Gartner的研究团队使用一种熟悉的分子：DNA。研究人员用微小的单链DNA片段来培育细胞，这些DNA被设计成陷入细胞的外膜，覆盖在每一个细胞上，就像网球的毛。这些DNA作为一种魔术贴分子和条形码，能说明类器官内的每个细胞属于哪里。当用互补DNA链培育的两个细胞接触时，它们会迅速紧紧固定在一起。如果DNA序列不匹配，细胞就漂浮在上面。可以用几组不同的DNA条形码一起培育细胞，以说明多个合适的合作伙伴。

为了将这些细胞积木变为可用于研究的类器官阵列，Gartner的团队将这些细胞铺在层面中，设计多组细胞粘附到特殊的合作伙伴上。为了证明这项技术的精度，及其推广到许多不同组织类型的能力，研究团队制备了几个原理验证的类器官阵列，模仿人体组织，如分支血管和乳腺。

在一个实验中，研究人员制备了乳腺上皮细胞阵列，并探索“添加一个或多个低水平表达癌基因RasG12V的细胞，如何影响其周围的细胞”。他们发现，当在低水平表达RasG12V的细胞制备而成的类器官中，正常细胞生长的更快，但需要一个以上的突变细胞来启动这个异常生长。他们还发现，将低表达RasG12V的细胞放置在一管标准细胞的底部，可让突变细胞分支和生长，从而将正常细胞拉在背后，就像生长的树枝的尖芽。

Gartner的研究小组，计划利用这种技术，来研究“乳腺中发生了什么细胞或结构变化，导致了肿瘤转移相关的组织结构故障，侵入身体的其他部位，并严重威胁患者的生命”。他们也希望利用他们从不同组织类型模型中了解到的知识，最终利用更大规模的技术，制备出像肺、肾、神经回路等功能性人体组织。

Todhunter说：“构建复杂的蜂窝网络，如那些在大脑中存在的结构，可能是你向往的最高的一个挑战。现在，DPAC似乎可以实现这个崇高的目标。”

（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
Programmed synthesis of three-dimensional tissues
Abstract: Reconstituting tissues from their cellular building blocks facilitates the modeling of morphogenesis, homeostasis and disease in vitro. Here we describe DNA-programmed assembly of cells (DPAC), a method to reconstitute the multicellular organization of organoid-like tissues having programmed size, shape, composition and spatial heterogeneity. DPAC uses dissociated cells that are chemically functionalized with degradable oligonucleotide 'Velcro', allowing rapid, specific and reversible cell adhesion to other surfaces coated with complementary DNA sequences. DNA-patterned substrates function as removable and adhesive templates, and layer-by-layer DNA-programmed assembly builds arrays of tissues into the third dimension above the template. DNase releases completed arrays of organoid-like microtissues from the template concomitant with full embedding in a variety of extracellular matrix (ECM) gels. DPAC positions subpopulations of cells with single-cell spatial resolution and generates cultures several centimeters long. We used DPAC to explore the impact of ECM composition, heterotypic cell-cell interactions and patterns of signaling heterogeneity on collective cell behaviors.