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日前，美国麻省理工学院高级研究员张曙光与同事合作，利用微小的蛋白质片段设计出新型三维“脚手架”，干细胞能够在种“脚手架”上生长、繁殖并分化成脑细胞，而且这种“脚手架”比现有的任何细胞培养系更接近生物活体本身。这一最新研究成果发表在2006年12月27日出版的在线免费阅读期刊《科学公共图书馆一》（PLoS One）上。
张曙光现任麻省理工学院生物医学工程中心副主任。据PLoS在线新闻报道，张曙光说：“这种特别设计的支架结构之所以特别有趣，是因为细胞存活得更长、分裂得更好，而不需增加额外的可溶性生长因子。这就意味着细胞外的微环境可能在细胞存活和实现功能方面起到比以前大得多的作用。” 这项研究工作由奥林巴斯公司和美国国家卫生研究院共同资助。 1877年，德国科学家朱利叶斯·理查德·皮特利发明了用于实验室培养细菌等的有盖小玻璃盆——皮氏培养皿，它一直是生物医学家们的经典武器。但随着时间的推移，生物学家们日益感到皮氏培养皿的局限性，因为在一个二维平面上培养细胞，细胞的新陈代谢、基因表达和生长模式都被扭曲了，但他们只能选择玻璃器皿或取自小鼠肿瘤的凝胶蛋白质混合物——基底膜胶（Matrigel）。尽管基底膜胶与复杂的细胞外环境比较相似，但它还含有一些生长因子和未知蛋白质，限制了其在精确环境下的实验应用。 在生命体中，细胞依附在周围其他细胞、组织和蛋白质上，并靠它们支撑。细胞的正常环境由细小的纤维、间隙和孔洞组成，氧气、荷尔蒙和营养成分得以通过，而废物可以从里面过滤出来。细胞如果受到化学物质等的刺激，就会在这种天然环境中移动。那么，能不能创造出一种类似于细胞天然生存环境的培养皿呢？ 张曙光在论文中说：“30多年来，科学家一直试图人工合成生物高分子微纤维支架，从而模拟三维微型生活环境，但是一直担心它们的降解产物。”然而现有的人工合成高分子生物材料太大，让细胞在它们上面生长如同强迫蜘蛛在摩天大楼的构架上吐丝结网。 张曙光试图解决这个问题，他和同事一直努力让一种名为自组装缩氨酸的细小氨基酸片段能够组成有用的结构。他们发明了一种由蛋白质纳米纤维组成的支架结构，其中每个蛋白质纤维是人的头发丝的1/5000，支架结构中包含的孔洞是针眼的1/20000。 新型的纳米纤维支架是现存培养系统的1/1000，在体积上更接近活细胞自我复制的细胞外基质。而且这种支架可以直接植入人体而没有副作用。研究人员已经能够在这种三维支架上长出健康的成年老鼠的干细胞群落，且没有二维培育系统的缺陷。 这种新型的人工合成结构不仅提供了一幅细胞在体内的生长和行为的精确图片，帮助研究人员更清楚地了解细胞在体内的状况，而且还为再生医学中的组织和组织细胞培养基提供了一种更适宜的微环境，例如皮肤移植、受损脑细胞的神经元修复等。 由于增加了名为活性功能域的修饰氨基酸片段，这种支架结构可以诱使干细胞按照某种期望的方向分化，比方说，分化成为某种身体组织或者向骨髓或其他天然目的地移动。而且，这种活性功能域引入法可以用于研究细胞间的相互作用，细胞迁移，肿瘤和癌症细胞与正常细胞的互动，以及基于细胞的药物测试等多种应用。 “现在终于可以从二维培养皿过渡到能够更好代表组织和器官细胞天然生长环境的培养体系了，”张曙光说，“我相信未来20多年里，所有的细胞培养都将在设计的三维支架上进行，当人们从三维培养基得到结果时，绝大多数细胞生物学的教科书将被改写。” ，研究人员们正在用各种细胞测试这种专门设计型支架，包括牙齿细胞、骨细胞、心脏细胞、肝细胞、软骨细胞、皮肤细胞、血细胞、胰脏细胞和动脉形成细胞。 |
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