黑科技可“打印”出体内各种细胞环境 观察干细胞如何“倾听”周围的细胞

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像人类一样，细胞很容易受到来自同伴压力的影响。

以大脑中的一个神经干细胞为例：这个细胞是仍然是一个干细胞，还是分化成一个完全成形的脑细胞，最终取决于这个细胞从无数同伴那里接收到的一组复杂的分子信息。科学家们希望利用这些干细胞来治疗阿尔茨海默病或帕金森病等神经系统疾病，所以，理解这些信息是关键。

借助光刻技术和可编程DNA的创造性应用，加州大学伯克利分校研究人员创建了一个新的技术，可迅速“打印”二维阵列的细胞和蛋白质，模仿体内各种细胞环境——周围的脑组织神经干细胞，肠内壁或肝脏或肿瘤细胞内部配置。

这项技术可以帮助科学家更好地理解决定细胞最终命运的复杂的细胞间信息，从分化成脑细胞的神经干细胞到有可能转移到胚胎干细胞成为器官细胞的肿瘤细胞。

“对这个平台真正强大的是，你可以创建体外组织捕获体内细胞的空间组织，从消化道的肠道内膜到肝脏中不同类型细胞的排列。”奥利维亚·沙伊德尔说，他在伯克利读研时完成了这一研究。“我认为你可以把这项技术应用到任何你想要探索细胞间相互作用如何影响组织功能的组织中去。”

在3月18日发表在《科学进展》杂志上的一篇论文中，沙伊德尔和她的合作伙伴展示了这项新技术可以被用于在平面上快速打印多达10种不同类型的细胞或蛋白质的复杂图案。

 “从本质上讲，这项技术让我们能够以一种高通量的方式一次性模拟不同的条件。”加州大学伯克利分校的机械工程教授、该论文的资深作者莉迪亚·索恩(Lydia Sohn)说。“它为你的学习提供了一系列的选择，因为它非常灵活。你可以给许多不同种类的细胞或蛋白质定型。”

被DNA链抓住了

在这项新技术中，每个细胞或蛋白质都用一条短的DNA链拴在基质上。虽然类似的方法已经被开发出来，一个接一个地连接系细胞或蛋白质，但这项新技术利用一种称为光刻法的图形处理过程，在一个快速批次中连接或打印每种类型的细胞蛋白质，大大加快了这一过程。

“这就像彩色激光打印，你先打印一种颜色，然后再打印另一种颜色。”索恩说。

与摄影一样，光刻术的工作原理是将被涂覆的表面或基板暴露在光的图案下，引发化学反应，在被照的区域溶解涂层，留下模板基板。在这项新技术中，基板被浸泡在单侧DNA链中，DNA链的末端经过化学改变，牢牢地附着在涂层溶解的地方。

每个单侧DNA链都有一个特定的核苷酸腺嘌呤(a)、胸腺嘧啶(T)、鸟嘌呤(G)和胞嘧啶(C)序列。带有互补核苷酸序列的单侧DNA链被嵌入或附着在感兴趣的细胞或蛋白质上。

最后，用细胞或蛋白质的混合物清洗表面，这些混合物附着在互补的单侧DNA链上，与已经附着在表面的单侧DNA结合，形成双螺旋“链”。

“由于DNA编程，所有的细胞和蛋白质都准确地附着在它们应该在的位置。”索恩说。

通过重复这一过程，多达10种不同类型的细胞或蛋白质可以以任意的模式拴在表面上。

相互矛盾的消息

为了证明这项技术的众多应用之一，Scheideler和合著者加州大学伯克利分校生化工程杰出教授David Schaffer利用该平台研究了神经干细胞分化成成熟细胞的化学信号。

“干细胞的DNA中嵌入了一些程序，告诉它们要么保持干细胞的形态，要么分化成成熟的细胞。”Schaffer说，“它们从周围的环境和其他细胞中接收到大量信息，知道该做什么，该激活哪些程序。如果我们能学会如何让干细胞为我们服务，如何将它们转变成一种特定的细胞类型，那么我们就能利用干细胞大规模生产因疾病或受伤而丧失的特殊细胞类型。”

Scheideler说，大脑中的神经干细胞经常从它们的邻居那里收到关于它们应该如何表现的相互矛盾的信息。一个信使，FGF-2蛋白质，告诉它们制造更多的干细胞。另一种是ephrin-B2蛋白质，告诉它们分化成一个成熟的神经元。

Scheideler利用这项新技术，将神经干细胞植入FGF-2和ephrin-B2这两种蛋白质的数千个不同阵列上，以观察这两种信号的空间组织如何帮助决定细胞的最终命运。

她发现，许多干细胞分化成成熟的神经元，即使它们主要与FGF-2接触，或“保持干细胞”信使。然而，当她仔细观察时，她发现那些分化的细胞更有可能有小的、手指状的延伸，或“神经突”，接触到ephrin-B2或“分化”信使。

“这种技术的伟大之处在于，你可以很容易地在一张幻灯片上成百上千次地复制这些小模式。”Schaffer说，“这就像进行一千个独立的小实验，每一个都是一个试验，看看干细胞如何倾听周围的细胞。然后你就可以得到非常、非常深入的数据，这些数据是关于它可以被监管的各种方式的。”

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