日本科学家用巧妙的装置构建复杂的三维类器官

　　日本科学家创新地在立方体结构中使用水凝胶来制造复杂的3D类器官，简化了以前具有挑战性的程序。这一进步有可能彻底改变药物测试和人工器官生长，为各种器官系统的可访问和多样化研究打开大门。

　　

由日本理化学研究所Masaya Hagiwara领导的一组科学家开发了一种巧妙的装置，使用立方体结构中的水凝胶层，使研究人员无需使用复杂的技术即可构建复杂的3D类器官。该小组最近还展示了使用该设备构建类器官的能力，这些类器官忠实地再现了生物体实际发育特征的不对称基因表达。该设备有可能彻底改变我们测试药物的方式，也可以提供对组织如何发育的见解，并导致更好的人工器官生长技术。

类器官发展的挑战

长期以来，科学家们一直在努力创造类器官——在实验室中生长的类器官组织——来复制实际的生物发育。创造功能与真实组织相似的类器官对于开发药物至关重要，因为有必要了解药物如何在各种组织中移动。类器官还帮助我们深入了解发育过程本身，是培育可以帮助患者的整个器官的垫脚石。

然而，创造类生命器官被证明是困难的。在自然界中，组织的发展是通过一种复杂的舞蹈，包括化学梯度和物理支架，引导细胞进入特定的3D模式。相比之下，实验室培养的类器官通常要么通过让细胞在均匀的条件下生长——由相似的细胞组成简单的球——要么通过3D打印或微流体技术来发展，这两种技术都需要复杂的设备和技术技能。

类器官创造的突破

但现在，在《Advanced Materials Technologies》杂志上发表的一篇初步论文中，来自RIKEN先锋研究集群的研究小组宣布，他们开发了一种新的创新技术，这种技术可以让他们在空间上控制基于立方体的细胞群周围的环境，只需要一个移液管。

该方法包括将水凝胶层(主要由水组成的物质)与不同的物理和化学性质限制在一个立方体的培养容器内。在这项研究中，使用移液管将不同的水凝胶插入支架中，并根据表面张力保持在适当的位置。细胞既可以插入到单个水凝胶中，也可以作为小球插入到不同的层中，从而有可能创造一系列的组织类型。

控制立方体系统中类器官的位置。体轴模式和未来展望

在发表在《Communications Biology》上的第二篇论文中，该小组还展示了重建所谓的身体轴模式的能力。从本质上讲，当脊椎动物发育时，有一个头/后部和背部/腹部的细胞分化模式。尽管这对于创造能够真实再现实际生物体中发生的事情的类器官很重要，但在实验室中很难实现。

在这项工作中，使用基于立方体的系统，该小组能够重建这种模式，使用模具帽在立方体内精确地播种一组诱导多能干细胞(iPSCs)，然后允许细胞暴露在两种不同生长因子的梯度中。他们甚至“招募”了一名实验室助理和一名初中生来成功地完成这项工作，这表明细胞的播种不需要高水平的专业知识。该团队还证明，所得组织可以切片成像，并且仍然保持有关梯度方向的信息。

立方体系统中的细胞播种控制。       

Hagiwara说:“我们对这些成就感到非常兴奋，因为新系统将使研究人员能够快速地、没有困难的技术障碍地重建更接近实际生物体器官发育方式的类器官。我们希望一系列的研究人员将使用我们的方法来创造各种新的类器官，并为不同器官系统的研究做出贡献。最终，我们希望它也能帮助我们理解如何构建真正的人造器官来帮助病人。”

“Localization of Multiple Hydrogels with MultiCUBE Platform Spatially Guides 3D Tissue Morphogenesis In Vitro” by Kasinan Suthiwanich and Masaya Hagiwara, 29 January 2023, Advanced Materials Technologies.

“Gradient to sectioning CUBE workflow for the generation and imaging of organoids with localized differentiation” by Isabel Koh and Masaya Hagiwara, 21 March 2023, Communications Biology.