在微流控芯片上培养胚胎干细胞的新方法

毫无疑问，在生物学和医学研究中使用人类胚胎会带来许多道德问题。尽管在这些问题上应该小心谨慎，但事实是对人类生物学更精确的研究将有益于许多科学。

一个解决方案在于替代工具——科学家称之为体外模型。然而，尽管在成人组织中取得了一些进展，但在模拟人类胚胎的早期发育时，事情变得复杂了。

现在，EPFL生物工程研究所的科学家们从胚胎干细胞开始，模拟体外胚胎形成的各个方面。

一般来说，如何在合适的时间和剂量向培养的细胞提供关键信号分子，也称为形态发生，是体外可靠构建生物组织的一个棘手问题。简单地将一系列干细胞暴露于单一浓度的形态发生最终会导致不受控制的形态发生，因为这些细胞缺乏重要的指导。

在发育胚胎中，干细胞从所谓的“信号传递中心”获得形态发生的高度动态浓度范围。正是这种形态发生的梯度告诉干细胞它们成为哪种特化细胞和组织。

为了实现这一原理，Ltolf实验室的Andrea Manfrin博士开发了一种方法，将培养的人类胚胎干细胞暴露于形态发生的梯度中，模拟原肠胚的真实条件——胚胎发育的早期阶段，其细胞开始转化为不同的细胞类型和组织。

这种方法包括在微流体设备中培养干细胞，这是一种带有小通道的芯片，可以精确控制微流体。研究人员在微流控芯片上的培养室中培养干细胞，并可以将它们暴露于各种形态原的精心控制的浓度梯度中。

“我们假设，设计一个人工信号中心‘离体’将使我们能够指导干细胞群体的自我组织达到预期的结果，”曼弗林解释说。"这对组织和器官工程有明显的优势."结果令人印象深刻：细胞发育并组织成不同细胞类型的区域，这取决于它们接触的浓度，就像它们在体内一样。事实上，科学家们报告说，他们可以成功地模仿原肠胚形成的所有方面，为实验室中特定人体组织的生长铺平了道路。

这些优势包括药物测试和再生医学的新工具。这项新技术还可以帮助科学家研究与发育生物学相关的过程——如原肠胚——并在一些研究领域提供动物实验的替代方案。

“我们的长期目标之一是设计用于移植的器官，”Ltolf说，他与洛桑大学医院(CHUV)和其他地方的团队合作，从患者来源的细胞中生产小器官(“类器官”)。“我们远没有在培养皿中培养功能器官；但是最近干细胞生物学和生物工程的进展让我乐观地认为这可以成为现实。关键是更好地理解细胞如何在胚胎中构建组织和器官”。

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