激光助力人体组织构造

       欧洲的一个研究团队近日提出了一种利用激光束将细胞精准引导到人造组织中特定位置的方法 (Sci. Rep., doi: 10.1038/s41598-022-11612-y)。研究者认为，该方法可以有力推动“器官芯片”或“人体芯片”技术的发展，从而使科学家能够在不进行动物试验的情况下研究药物对人体的影响。 

       水凝胶，作为一种特殊的交联、亲水性聚合物，因其氧气、养分渗透性以及机械特性与人体组织相似，通常被用来制造人体组织。然而，一旦细胞被嵌入水凝胶中以构造人造组织，就很难操纵单个细胞的“微环境”并使其在水凝胶内移动到所需的位置。这使得在人造组织中制造新血管成为一项挑战。

       为了解决这个问题，来自奥地利和比利时的研究团队决定将多光子光刻技术应用到人造组织中。该技术是一种基于光的高分辨率图案化技术，具有出色的控制细胞微环境的能力。多光子光刻技术可以将亚衍射分辨率的飞秒激光束聚焦到 3D 目标上，以启动光化学反应。如果控制得当，它可以在水凝胶中打开一个通道。

图1 左图：研究人员将星形（蓝色）图案化到其水凝胶结构中   右图：几天后，细胞（荧光绿色）按照模式从星形中心向外迁移

       实验过程中，研究人员将水凝胶浸入一种含有叠氮基的化学物质，4,4 ' -二叠氮-2,2 ' -二苯乙烯磺酸(DSSA)中 24 小时。然后，他们将波长为 700 和 725 nm、扫描速度为 1000 mm/s 的激光束聚焦到预定的图案上。激光束可以使 DSSA 分子中由三个氮原子组成的叠氮基发生光化学分解并与水凝胶形成新的键，从而软化被激光击中的凝胶区域。

       在激光可塑造水凝胶的能力被证实后，研究人员使用人体细胞测试了他们的方法。首先，研究人员在水凝胶上设计了一个网状结构。当他们在图案化水凝胶中观察人类脂肪干细胞 (hASC) 时发现，十三天后，41% 的细胞沿垂直和水平方向排列，而对照样本中大约有20%。 当使用 hASC 和人脐静脉内皮细胞的星形图案进行测试时，研究人员还观察到了所需的细胞迁移。

图2 左图：水凝胶中的网格状结构（蓝色）  右图：13 天后，细胞（绿色）沿着水平和垂直方向排列

       团队表示，他们希望研究结果对器官芯片或人体芯片的研究能够起到有效的作用。当测试营养物质或药物对人体细胞的影响时，如果使用该技术有望无需动物测试即可完成。

       该研究的共同作者、奥地利维也纳理工大学的Tommaso Zandrini表示，人们可以利用这项新技术多次重复“人体芯片”实验研究，因为该技术能够使他们以完全相同的微观结构重新创建几个组织样本。研究人员还希望该方法可以用于在人工组织中制造微血管。