从苹果长大的耳朵工程人体组织植物的承诺

改变游戏规则的科学的灵感似乎来自任何地方。发霉的细菌板给我们第一种抗生素青霉素。用铂电极切割酵母导致强效化疗药物顺铂。

机械生物学的兴起

用苹果种植人耳似乎是不合理的，但Pelling的关键见解是，苹果的纤维内部与实验室中通常用于生物工程人体组织的微环境非常相似。

例如，为了制造替代耳朵，科学家通常用昂贵的生物相容材料雕刻或3D打印中空支撑结构。然后，他们将人类干细胞接种到结构中，并且苦心提供生长因子和营养物质的混合物以促使细胞生长。最终，经过数周和数月的孵育，细胞在支架上扩散并分化成皮肤样细胞。结果是生物工程替代耳朵。

问题?极高的进入条件：干细胞，生长因子和支架材料都很难获得并且成本高昂。

但这些关键组件真的有必要吗?

“我们经常通过基因组或生物化学的镜头来思考生物学，”Pelling说。但细胞和组织是生命成分 - 它们伸展，压缩和剪切，产生相互作用的机械力。

在一系列实验中，Pelling和其他人发现这些机械力不仅仅是生物学的副产品;相反，它们似乎至关重要地调节了细胞的潜在分子机制。

早期的一项研究发现，胚胎生长的每个阶段 - “生物学中的基本过程” - 都可以通过机械信息进行调节和控制。换句话说，物理力可以驱动细胞分裂并通过组织迁移，因为我们的遗传密码指导整个身体的形成。

在实验室中，拉伸和机械刺激细胞似乎也从根本上改变了它们的行为。在一项试验中，Pelling的团队将癌细胞涂在培养皿底部生长的一片皮肤细胞上。癌细胞挤在一起形成小球，在微肿瘤和皮肤细胞之间形成明显的屏障。

但是，当团队将整个细胞系统放入一个微小伸展的设备中 - 模仿身体的呼吸和运动 - 肿瘤细胞变得具有攻击性，进入皮肤细胞层。

“这里没有基因改造......或生物化学。这纯粹是机械上的影响，“Pelling说。“这些事情之间存在着根本的联系。”

甚至更冷：机械力不需要主动运动来改变细胞的行为方式。他们的微环境的形状足以指导他们的行动。

例如，当Pelling将两种细胞类型放入具有凹槽的物理结构中时，细胞在数小时内自我隔离，其中一种类型在槽中生长而另一种在较高的壁架中生长。通过简单地感测该凹槽表面的形状，他们“学会”在远距离上分离和空间图案。

外卖：单独使用形状，可以刺激细胞形成复杂的三维图案。

这是苹果进来的地方。

我的苹果......耳朵?

在显微镜下，苹果的微环境与用于制造替代组织的工程表面处于相同的长度范围。这一发现让团队想知道：是否有可能利用植物的表面模式来培养人体器官?

为了测试它，他们拿了一个苹果并冲走了它的所有植物细胞，DNA和其他生物分子。这给他们留下了纤维状的脚手架 - 通常会卡在牙齿上的东西。当团队将人体和动物细胞粘在体内时，细胞开始生长并扩散。

鼓励，然后团队将一个苹果手工雕刻成人耳的形状并重复上述过程。几周之内细胞就会渗透，将苹果块变成肉质的人耳。

当然，拥有合适的形状是不够的。替代组织也必须在体内存活。

该团队接下来在一只老鼠的皮肤下直接植入了一个基于苹果的支架。在短短八周内，不仅小鼠的健康细胞侵入基质，啮齿动物的身体也产生了新的胶原蛋白和血管，有助于保持脚手架的生存和健康。

这对于工程组织来说有三个重要方面：它是安全的，它是生物相容的，它来自可持续的道德来源。

“这件事正在成为身体的生命部分，它曾经是一个苹果，我们通过去杂货店做到了这一点，”Pelling说。

进入临床空间

由于其简单性，Pelling特别为他的发现感到兴奋：它不需要干细胞或外来生长因子。优雅的方法利用了植物的物理结构。

该团队现在将其工作扩展到组织工程的三个主要领域：软组织软骨，骨骼，脊髓和神经修复。Pelling解释说，关键是要将植物的特定微观结构与组织的微观结构相匹配。

“看到这种狂野的想法以这种方式转化真是令人兴奋，”他说。

为什么要把自己限制在大自然赋予我们的身体部位?如果脚手架的形状是设计组织或器官的唯一决定因素，为什么不设计我们自己的?

Pelling接受了这个想法并与它一起运行，委托一家设计公司为三种不同类型的耳朵勾勒出脚手架：平均人耳，尖尖的Spock形耳，以及旨在抑制或增强不同频率的波浪形耳 - 在理论上 - 增强听证会。

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