毫無疑問，將人類胚胎用于生物和醫學研究會帶來許多倫理問題。誠然，在這些問題上我們要謹慎行事，但事實是，能夠更準確地研究人類生物學將使許多科學受益。

其中一種解決辦法是使用替代工具——科學家稱之為體外模型。在構建體外模型上，成人組織是取得了一些進展，但在模擬人類胚胎早期發育過程時，情況變得復雜起來。

現在，EPFL生物工程研究所的科學家們已經從胚胎干細胞出發開始打造“體外胚胎”了。

EPFL教授Matthias Lütolf說：“在生物體構建組織時，一個棘手的問題是如何以適當的時機和劑量向培養中的細胞呈現關鍵的信號分子（也稱為成形素，morphogens），只需將一組干細胞暴露于單一濃度的成形素中，就會導致無法控制的形態發生，因為這些細胞缺乏重要的指示。”

在發育中的胚胎，干細胞從所謂的“信號中心”所接收的成形素是在一個高度動態的區間范圍。正是這樣的梯度告訴干細胞要形成什么樣的特殊細胞和組織。

為了實現這一環境，Lütolf實驗室的Andrea Manfrin博士開發了一種將培養中的人類胚胎干細胞暴露于梯度濃度的成形素中，模擬原腸胚形成的現實條件的方法，在該階段胚胎的細胞開始轉化為不同的細胞類型和組織。

方法包括在一種具有小通道芯片的微流體裝置中培養干細胞，可精確控制微量液體。研究人員一邊在微流控芯片上培養干細胞，一邊將其暴露于各種濃度梯度的成形素。

結果令人印象深刻：細胞發育和組織成了不同類型的細胞域，這取決于它們所接觸的濃度。科學家們報告說，他們能夠成功地模擬原腸胚形成的各個方面，為在實驗室以更可控的方式生長特定的人體組織鋪平了道路。

Manfrin解釋說：“我們假設，設計一個‘離體’人工信號中心可以讓我們引導干細胞群體的自我組織達到預期效果。這對于實現組織和器官工程具有明顯優勢。”包括用于藥物檢測和再生醫學的新工具。這項新技術還可以幫助科學家研究與發育生物學相關的過程，如原腸胚形成，并在某些研究領域提供動物實驗的替代方法。

“我們的長期目標之一是為移植設計器官，”Lütolf說，他已經與洛桑大學醫院等其他組織合作，用病人來源的細胞生成小型器官（類器官）。“我們離培養皿中的功能器官還很遠，但干細胞生物學和生物工程的最新進展使我樂觀地認為這可能成為現實。關鍵是要更好地了解細胞本身如何在胚胎中構建組織和器官”。

Funding

Horizon 2020 (“EPFL Fellows”), Canadian Institute of Health Research, SystemsX.ch Transition Postdoc Fellowship and StoNets, EU Framework 7 (Plurimes), Swiss National Science Foundation, ETH Board Personalized Health and Related Technologies Initiative, EPFL

References

Andrea Manfrin, Yoji Tabata, Eric R. Paquet, Ambroise R. Vuaridel, Fran?ois R. Rivest, Felix Naef, Matthias P. Lutolf. Engineered signaling centers for the spatially controlled patterning of human pluripotent stem cells. Nature Methods 27 June 2019. DOI: 10.1038/s41592-019-0455-2

原文鏈接：

https://actu.epfl.ch/news/growing-embryonic-tissues-on-a-chip/

Author: Nik Papageorgiou

Source: Mediacom