如何将一片菠菜叶变成一颗人类心脏

第一步:洗涤剂
Spinach leaves

菠菜对心脏有多种益处。它富含纤维、维生素A,以及细胞吸收营养所需的支状血管系统。

因此,伍斯特理工学院的生物工程师们决定尝试用不起眼的菠菜叶的支架来培养人类心肌细胞。结果是成功的。他们于2017年5月印刷版发行前,在线上期刊《生物材料》上公布了他们的研究结果

当你看到一片菠菜叶时,你可能会看到一种深绿色叶菜,它应该和蔓越莓干、苹果一起放在那里。但生物工程师看到的却是“血管”。菠菜叶有一个中心的主脉,以及向边缘延伸的小分支,这与你心脏中血管的生长方式非常相似。尽管菠菜没有血液,但叶片中的血管系统和你的心脏血管系统在本质上具有相同的功能:输送营养物质。

我们很容易认为我们的循环系统主要是由大血管和动脉组成,它们连接成一个大循环。但或许这个系统中最重要的部分是毛细血管,这些微小的管道将血液输送到最后阶段,在那里大部分的氧气和营养物质输送才真正发生。没有毛细血管,你就无法生存。你器官中的细胞无法远离毛细血管生存——它们必须距离毛细血管约100-200微米,也就是一到两根头发的宽度。由于细胞需要这样一个复杂的毛细血管网络,因此人工培养人体组织非常困难。这实际上是制造器官最困难的事情之一。细胞有在体内诱导血管生长的机制,但在体外却没那么容易。你不能简单地将细胞团移植到体内,并期望它们自己形成血管,因为在它们有机会这样做之前就会死亡。所以,如果你想从零开始制造一个器官(或者即使只是一小块),你至少需要找到一种方法来模拟血管

有很多关于如何实现这一目标的想法,而菠菜支架只是其中一种。2012年,宾夕法尼亚大学的两位研究人员用糖3D打印了“血管”,然后让肝细胞在网络周围生长。一旦细胞附着,他们就简单地溶解了糖,留下一个中空的管状网络,可以作为毛细血管。然而,这种方法结构不够自然,因为你受到3D打印机铺设糖线几何形状的限制。

Spinach leaf turns into a heart
随着菠菜叶的逐渐溶解,留下透明的纤维素作为支架,看起来很不舒服地像一个叶子形状的安全套。图片来源:WPI

这些生物工程师采用了不同的方法。他们使用洗涤剂溶解了菠菜叶内的所有细胞物质,留下了纤维素背景。一旦得到了一个空的菠菜外壳,他们就可以加入人类心肌细胞,并让它们附着在结构上。细胞仍然可以像心脏应该跳动的那样跳动,血管系统也能支持血液流动,尽管工程师们没有将真实的血液注入系统——他们使用的是一种看起来像血液的红色染料液体来证明这一点。

菠菜叶并不适用于所有组织的支架。其分支结构类似于心脏血管的生长方式,但其他器官的毛细血管网络不同,因此其他植物可能更适合身体的不同部位。这些生物工程师还通过使用欧芹茎和花生上的细小毛根来证明了他们的概念,并且他们指出,理论上你可以利用木材来模仿骨骼的生长方式,或者用像金钱草这样茎粗的植物来形成一段动脉。

他们还不确定这些器官碎片在实际移植到人体后效果如何。培养一部分心脏和让身体接受人造结构作为其一部分是两码事。即使不是由植物制成的移植物,也经常会失败。而且,即使是大力水手(Popeye)也会很难成为一片菠菜叶的一部分。至少目前是这样。

 

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Sara Chodosh

撰稿人

Sara Chodosh 在《Popular Science》杂志工作了 5 年多,她从编辑助理一路晋升为科学副编辑。在此期间,她逐渐接管了已停刊的杂志的“图表”板块。她对图表的喜爱最终促使她成为《纽约时报》的图形编辑。


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