哈佛用干细胞和纳米电子技术解开发育生物学领域的黑匣子芜湖

近日，来自哈佛大学约翰·保尔森工程和应用科学学院（SEAS） Liu Jia课题组，通过将网格的形状从直线改为蛇形结构（类似于可穿戴电子产品中使用的结构），提高了纳米电子产品的可伸缩性。然后，研究小组将网状纳米电子技术转移到二维的干细胞薄片上，在干细胞薄片上，细胞通过细胞吸引力覆盖并与纳米电子技术交织。当干细胞开始转变成三维结构时，纳米电子器件相应地进行了无缝的重组，从而产生了完全生长的带有嵌入式传感器的3D器官。然后干细胞分化成心肌细胞，研究人员能够监测和记录90天的电生理活动。该研究成果以题为“Cyborg Organoids: Implantation of Nanoelectronics via Organogenesis for Tissue-Wide Electrophysiology”的论文发表在国际顶级学术期刊Nano Letters上。

本工作起源

这种类型的设备来自于Liu作为研究生时，在Charles M.Lieber（美国哈佛大学约书亚-贝丝·弗里德曼（Joshua and Beth Friedman）校级教授）的实验室开始的工作。在Lieber的实验室里，Liu曾经开发出一种柔韧的网状纳米电子技术，可以注射到组织的特定区域。

“在高中时，我对自然器官发育过程非常感兴趣，就像三维器官从二维结构中的少数细胞开始发展一样。我认为，如果我们能够开发出如此灵活、可伸缩和柔软的纳米电子产品，使它们能够通过自然发育过程与发育组织一起生长，那么嵌入式传感器就可以测量这一发育过程的整个活动，”Jia Liu说，该研究的资深作者。“最终的结果是一块组织与一个纳米级设备完全分布和集成整个三维组织。”

应用潜力

Liu说：“这种方法使我们能够持续监测发育过程，并了解个体细胞在整个发育过程中是如何开始相互作用和同步的。”它可以用来将任何类器官变成半机械式类器官，包括大脑和胰腺类器官。

除了帮助回答有关生物学的基本问题外，半机械式器官还可以用来测试和监测患者特定的药物治疗，并可能用于移植。

图文解析

图1 半机械式器官：概念与设计。

（A）示意图说明了可拉伸网状纳米电子器件通过有机发生逐步集成到类器官中。（I） 将可拉伸网状纳米电子器件层压在连续的基质凝胶片上，植入人诱导多能干细胞（hiPSCs）或hiPSCs衍生的祖细胞。（II） 通过细胞吸引力诱导的细胞增殖和迁移，使细胞板聚集成细胞致密板，将可拉伸网状纳米电子嵌入细胞板中，折叠成紧密排列的结构。（III） 有机发生2D到3D自组织折叠二维细胞板/纳米电子混合成碗状几何形状的三维结构。（IV） 有机发生展开紧密包裹的纳米电子体，并将其结构分布在整个三维器官上。（V） 通过3D嵌入式纳米电子技术，持续监测干细胞/祖细胞的电生理行为，进一步发展和分化成不同类型的细胞。

图2 可拉伸网状纳米电子器件的三维植入与分布

（A）光学图像显示了通过与图1a中的示意图相对应的有机物显影组装可拉伸网状纳米电子学的代表性阶段，包括基质凝胶（I）上的细胞板之间的可拉伸网状纳米电子学层压、细胞致密细胞板（II）和三维重组细胞板。（B）放大相位图像显示了可伸缩网状纳米电子器件在与A部分中蓝色虚线框区域相对应的不同阶段的有机生成的机械力作用下的变形。（C）进一步放大相位图像，用假颜色突出细胞纳米电子相互作用。在器官发生的不同阶段。（D）随着有机物的生长和扩展，在无缝折叠和组装成闭合的三维球形结构后，亮场相位图像显示了装置在有机物底部的均匀分布。（E）通过相位图像分析作为培养时间函数计算的装置的代表有效应变。（F）从有限元分析（FEA）中获得的网状纳米电子学中重复单元的两种压缩模式。（G）从FEA获得的网状纳米电子学重复单元的拉伸模式。（H）从有限元分析中获得的F和G部分的三种变形模式的力与应变的函数关系。

图3人类心脏半机械式器官的发育

（A）分化第40天心脏类半机械式器官的顶部（I）和底部（II）视图。（B）分化第40天清除的免疫染色的心脏类电子细胞的三维重建荧光图像的顶部（I）和底部（II）视图。（C）放大B部分中黑色虚线框区域的视图显示，迁移的HMSC形成了有机物的外层（I），并且IPSCS衍生的心肌细胞和纳米电子学之间紧密耦合（白色箭头）（I- Iv）。（D）心脏类电子生物切片示意图，用于在器官发生的不同阶段进行表征。（E，F）30μm厚电子有机物（E）和控制有机物（F）的三维重建共焦显微荧光图像的投影。（G?N）、免疫染色和荧光成像表征了分化第7（I）、20（II）和40（III?IV）天时类器官心肌细胞的成熟。用TNT和NKX2.5（G，H）以及α-肌动蛋白和肌动蛋白（I，J）来表征有无嵌入纳米电子学的有机物成熟程度。TNT（K）和α-肌动蛋白（M）在培养时间内的平均荧光强度。荧光强度图显示在分化第7天、第20天和第40天，对照组和类器官的肌节排列（L）和α-肌动蛋白排列（N）。

图4心脏半机械类器官在器官发生过程中的慢性、多重、全组织电生理图谱

（A）示意图显示了将电子人心脏器官与外部记录设备连接的设置，以便在器官发育期间复用电生理学。（B）光学图像显示了连接电生理记录的培养室中心脏类电子生物的三维组织的代表性过程（0、24和48 h）。（C）在分化第35天，从心脏类电子生物记录到14个通道电压轨迹。（D）放大C部分中蓝色框突出显示的视图显示单个加标场电位记录。（E）在三个不同培养日（分化的第26、31和35天）从（c）放大红色虚线框的视图。（F，G）E部分中定义的快峰振幅和场电位持续时间是微分时间的函数。（H）分化第26天和第35天的等时图显示了标记的三个连续峰值事件的激活时间延迟（最大dv/dt）。

研究背景

体内三维器官是由二维胚胎胚层进化而来。例如，神经管和心管都是由胚胎中的二维细胞层通过一系列的细胞增殖和折叠过程发育而成，神经管最终形成大脑和脊髓，心管形成心脏。通过利用人间充质干细胞（hMSCs）启动细胞凝聚，并驱动人诱导的多能干细胞（hiPSCs）折叠成3D类器官进行移植和药物筛选，这种体内2D-3D转化最近已在体外复制用于人体器官培养。一小群细胞如何组织成心脏、大脑或肾脏？这一关键的发育时期长期以来一直是发育生物学的黑盒子，部分原因是没有一个传感器足够小或足够灵活，能够观察到这个过程而不损伤细胞。而且由于电子元件的侵入性局部植入，破坏了成熟器官内连接良好的细胞网络。

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