“赛博格”类器官：揭示细胞如何生长发育为器官学术资讯

来源：X一MOL资讯

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https://news.harvard.edu/gazette/story/2019/08/growing-organoids-uncovers-how-cells-become-organs/

心脏、大脑、胰脏等组织器官是如何从一小簇原始细胞生长发育而来的？这些器官在发育的早期阶段都经历了什么？

为了解答这些问题，来自哈佛大学工程学院的研究团队开发出了一种超柔性、可拉伸的纳米生物电子器件。这种纳米生物器件与人体多能干细胞（hiPSCs）共培养，在细胞的收缩、生长、分化的过程中形成全身布满电子微纳传感器的类器官——“赛博格”类器官（Cyborg Organoids）。这些遍布三维组织的微纳传感器在“赛博格”类器官的发育过程中可以实时监测、采集单细胞精度的电生理信号，从而建立类器官在发育的不同时期、不同位置细胞的电生理变化与发育过程的重要联系，揭示细胞如何生长发育为器官。相关论文于近日发表在Nano Letters杂志上。

跳动的“赛博格”心脏类器官

“从高中开始，我就对生物器官的生长发育过程十分着迷——这是一个从数个简单的细胞从二维生长折叠成大脑、心脏、胰脏等功能迥异、结构复杂的三维器官的神奇过程。我常常在想，如果我们能够开发出足够柔软、易拉伸的纳米生物电子器件，并把它植入在器官发育初期的二维细胞层上，它便可以与正在生长发育的器官融为一体，共同生长，共同折叠，从而实时监测整个生长过程中的电生理信号。”本文通讯作者、哈佛大学助理教授刘嘉说道。“通过这个方法，我们最终可以得到一个布满传感器、同时具备一切正常功能的三维组织器官。”

这类超柔性纳米器件的灵感还要追溯到刘嘉在哈佛大学攻读博士学位期间的工作。在此期间，刘嘉师从哈佛大学Charles M. Lieber教授，主持开发了后来被称为神经蕾丝（Neural Lace）的网状的柔性纳米器件，并可以借助针筒注射器精准地植入生物的大脑内部，构建无组织排异性的，可长时间稳定读取神经元信号的脑-机接口。

基于可注射器件的设计，刘嘉和他的团队将网状结构中的直线改成了蛇形线，大大增加了纳米电子器件的可拉伸度。这种新型的纳米器件具有诸多优点，如：（1）体积小，植入器官内时不会对细胞造成破坏；（2）通道多、覆盖面积大，可以监控整个器官；（3）力学性质柔软、伸缩性强，可以随着器官生长。这种纳米器件上分布着的微型传感器可以在长达90天的时间里实时地监控来自整个人体心脏类器官不同区域的电生理信号。

“这个装置不仅能对整个人体心脏类器官的发育过程进行实时、连续的监控，还能帮助我们理解细胞与细胞之间是如何通过电生理信号进行交流和同步的。”刘嘉补充道。“我们希望在未来将不同类型的人体类器官，包括大脑、胰脏等，都做成‘赛博格’类器官进行研究。”

除了解答生物发育的基础问题外，“赛博格”类器官在药物筛选、器官移植方面也存在潜在应用。

美国哈佛大学助理教授刘嘉为本文的通讯作者。哈佛大学博士后李强、博士后南科望，博士生Paul Le Floch为本文的共同第一作者。该研究得到了哈佛大学基金会的支持。

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