激光束控制细胞将成为可能

长三角G60激光联盟导读

当生物组织在实验室中被创造出来时，任何事情都不应该让它发生：在TU Wien，一种方法被开发出来，可以用激光精确地将单个细胞引导到正确的位置。

创建星形图案（左），细胞可以在其中生长（右）。

这是生产人造组织的最大问题之一：如何将单个细胞定向到正确的位置，例如在非常特定的位置创建血管？这一壮举现已在TU Wien（维也纳）实现：细胞周围的水凝胶富含非常特殊的分子，然后可以用激光束激活。然后，水凝胶在这些点上变得更柔软和更具渗透性，因此可以准确地确定细胞应该移动的位置。

这项新技术对于没有动物试验的药物研究特别有趣：利用这种激光方法，可以以可复制的方式生产特殊的组织系统，然后可以在芯片上的精确控制条件下进行检查，例如测试新药。

DSSA多光子光接枝工艺示意图。

TU Wien 3D打印和生物制造研究小组负责人Aleksandr Ovsianikov教授说：“在实验室制作组织结构时，通常从嵌入水凝胶中的活细胞开始。”水凝胶是一种生物相容性材料，其性质与生物组织非常相似。Aleksandr Ovsianikov教授解释道：“就像一只被水浸泡过的粘熊。”细胞可以通过水凝胶迁移并形成组织。然而，希望能够控制这一过程，并使细胞遵守预定的蓝图。

然而，在3D打印和生物制造研究小组中，水凝胶中加入了非常特殊的分子。通常情况下，它们不会改变水凝胶的行为，但当它们在特定位置被激光激活时，水凝胶在这一点上变得更柔软、更具渗透性。来自TU-Wien的Simon Sayer解释道：“分子与水凝胶网络相连，此时网络变得更亲水。这改变了物理性质，通过这种方式可以创建一种3D图案，细胞可以比其他地方更容易通过。”

（a）光接枝结构的布局和不同功率设置的指示。（b和c）封装在明胶基水凝胶中的GFP-HASC和RFP-HUVEC以1:1比例共培养球体的激光扫描显微镜最大强度投影（MIP）图像。在光嫁接后第3天拍摄图像。蓝色荧光通道未显示在图像（c）中，以更好地突出沿着嫁接区域的HASC对齐。比例尺代表500µm。

通过这种方式，激光束被用来预先确定水凝胶中的某些路径——事实上，细胞正是沿着这些路径迁移的。通过这种方式，可以产生星形或格子形的细胞结构。

芯片上的人

目前，这项研究的重点不一定是人造器官的创造，而是一种通常被称为“芯片上的器官”或“芯片上的人”的技术：创建组织部分，然后这些部分相互作用。它们被放置在几厘米大小的芯片上，可以提供非常特殊的营养素，也可以以高度精确的方式提供药物化合物。通过这种方式，人们可以收集有关药物效果的重要信息，而不必求助于动物试验。此外，人们可以使用人类细胞，这使得结果更有意义。

RFP-HUVECs出芽的激光扫描显微镜最大强度投影（MIP）图像：GFP-hASCs和RFP-HUVECs以1:1的比例共培养球体，封装在5 wt%凝胶MA DS 63中。光接枝模式为蓝色荧光，绿色荧光蛋白HASC为绿色，红色荧光蛋白HUVEC为红色。每列显示相同的样品，上面板显示绿色和红色荧光通道，以说明萌动对GFP-HASC位置的依赖性，下面板显示绿色和红色荧光通道，以说明根据光接枝结构的定向萌动。第5天拍摄了图像（a、b、d和e），第3天拍摄了图像（c和f）。比例尺代表500µm。

来自TU-Wien的Tommaso Zandrini说：“但这只有在我们能够精确控制这些组织的特性时才能起作用。首先，这些实验需要可重复性，因此你需要几个显微结构完全相同的组织样本，其次，你还需要能够精确地连接不同的样本——例如，如果你在研究一小块心肌组织和一小块肝组织之间的相互作用。”为了准确地理解这种相互作用，血管等结构需要位于正确的位置。这种新的激光方法现在可以实现这一点。因此，定制组织样本的复杂性可以大大增加。

（a）第13天，根据光移植模式对HASC方向进行单幅图像量化。（b和c）以每1µL 1000个细胞的密度封装在明胶基水凝胶中的GFP-HASC。这张照片是在光嫁接后第13天拍摄的。在图像（b）中，接枝结构呈蓝色荧光。该信号在图像（c）中被抑制，以突出显示细胞排列。比例尺代表500µm。

来源：Controlling cells with a laser beam, Scientific Reports, 10.1038/s41598-022-11612-y