DNA引导的人组织3D打印

 最近，加州大学旧金山分校（UCSF）带领的一个研究小组，开发出一种技术来构建人体组织的微模型（称为类器官），他们使用一个比以前更精确的过程，将人类细胞转变为乐高积木的生物等价物。这些长在培养皿中的小型组织，可以用来研究“组织的特定结构特征，如何影响正常生长或出错癌变”。它们可以用于治疗药物的筛选，并帮助研究人员学会制备整个人体器官。

这项新技术被称为DNA Programmed Assembly of Cells (DPAC)，发表在八月三十一日的《Nature Methods》，使研究人员能够制备成千上万个定制化的类器官，如人类乳腺腺体模型，每一个模型含有几百个细胞，可以在大约几个小时之内制备完成。

该论文的资深作者、UCSF药物化学副教授Gartner博士说：“这项技术可以模仿的组织没有什么限制。我们可以采用我们想要的任何类型的细胞。我们可以在最早期阶段，精确地控制谁在与谁谈话，谁接触谁。然后，细胞按照这些最初编程的空间线索，来相互作用、移动，并随着时间的推移发展成组织。”

Gartner表示：“一个潜在的应用是，在未来几年内，我们可以从癌症患者乳腺的不同组件抽取样本，并构建他们组织的一个模型，用作个性化的药物筛选平台。另一种应用是，将来有一天，使用我们从这些模型学到的组织生长规则，来制备完整的器官。”

我们的身体是由10万亿个细胞组成，可分为多种不同的种类，每一个细胞都有其独特的作用，使我们的身体保持活力和健康。在不同器官系统中，这些细胞在结构上将自我组织起来的方式，可帮助它们协调其惊人的多种行为和功能，保持整个生物机器运行平稳。但是在乳腺癌等疾病中，这个顺序的故障，与肿瘤的迅速生长和扩散有关。

Gartner说：“细胞不是孤独的小机器人。它们通过网络进行沟通，做出群体决策。就像在任何复杂的组织中一样，你真的需要得到该组织的结构才能获得成功。在人体组织的背景下，当组织失败时，就为癌症埋下了隐患。”

但是，研究“复杂组织（如乳腺）的细胞是如何自我组织、作出群体决策、疾病的分解等”，一直是研究人员面临的挑战。生物体往往太过于复杂，因此不能确定一种特定细胞行为的具体原因。另一方面，培养皿中的细胞缺乏现实三维结构的关键要素。

Michael Todhunter博士与Noel Jee博士带领了这项新研究，Michael说：“这项技术让我们能够在培养皿中制备组织的简单组件，这样我们就可以很容易地学习和操作。它让我们能够探索关于复杂人体组织的问题，而不需要在人身上做实验。”

为了详细地说明他们这些类器官的三维结构，Gartner的研究团队使用一种熟悉的分子：DNA。研究人员用微小的单链DNA片段来培育细胞，这些DNA被设计成陷入细胞的外膜，覆盖在每一个细胞上，就像网球的毛。这些DNA作为一种魔术贴分子和条形码，能说明类器官内的每个细胞属于哪里。当用互补DNA链培育的两个细胞接触时，它们会迅速紧紧固定在一起。如果DNA序列不匹配，细胞就漂浮在上面。可以用几组不同的DNA条形码一起培育细胞，以说明多个合适的合作伙伴。

为了将这些细胞积木变为可用于研究的类器官阵列，Gartner的团队将这些细胞铺在层面中，设计多组细胞粘附到特殊的合作伙伴上。为了证明这项技术的精度，及其推广到许多不同组织类型的能力，研究团队制备了几个原理验证的类器官阵列，模仿人体组织，如分支血管和乳腺。

在一个实验中，研究人员制备了乳腺上皮细胞阵列，并探索“添加一个或多个低水平表达癌基因RasG12V的细胞，如何影响其周围的细胞”。他们发现，当在低水平表达RasG12V的细胞制备而成的类器官中，正常细胞生长的更快，但需要一个以上的突变细胞来启动这个异常生长。他们还发现，将低表达RasG12V的细胞放置在一管标准细胞的底部，可让突变细胞分支和生长，从而将正常细胞拉在背后，就像生长的树枝的尖芽。

Gartner的研究小组，计划利用这种技术，来研究“乳腺中发生了什么细胞或结构变化，导致了肿瘤转移相关的组织结构故障，侵入身体的其他部位，并严重威胁患者的生命”。他们也希望利用他们从不同组织类型模型中了解到的知识，最终利用更大规模的技术，制备出像肺、肾、神经回路等功能性人体组织。

Todhunter说：“构建复杂的蜂窝网络，如那些在大脑中存在的结构，可能是你向往的最高的一个挑战。现在，DPAC似乎可以实现这个崇高的目标。”