組織工程可以改變醫(yī)學(xué)。科學(xué)家們不必等待我們的身體在受傷或疾病后再生或修復(fù)損傷，而是可以在實驗室中培養(yǎng)復(fù)雜，功能齊全的組織，以便移植到患者體內(nèi)。
蛋白質(zhì)是這個未來的關(guān)鍵。在我們的身體中，蛋白質(zhì)信號告訴細胞去哪里，何時分裂以及做什么。在實驗室中，科學(xué)家們將蛋白質(zhì)用于同一目的 - 將蛋白質(zhì)置于工程支架上或工程支架內(nèi)的特定位置，然后使用這些蛋白質(zhì)信號來控制細胞遷移，分裂和分化。
但這些環(huán)境中的蛋白質(zhì)也很脆弱。為了讓他們堅持使用支架，研究人員傳統(tǒng)上使用化學(xué)方法修飾蛋白質(zhì)，這些化學(xué)物質(zhì)殺死了超過90%的功能。在5月20日發(fā)表在“自然材料”雜志上的一篇論文中，來自華盛頓大學(xué)的一組研究人員公布了一項新策略，通過在特定點對其進行修飾來保持蛋白質(zhì)完整和功能，以便它們可以通過光線化學(xué)束縛在支架上。 。由于系繩也可以通過激光切割，因此該方法可以在整個生物材料支架中產(chǎn)生信號蛋白的進化模式，以生長由不同類型的細胞組成的組織。
“蛋白質(zhì)是生物信息的最終傳播者，”相應(yīng)的作者Cole DeForest說，他是化學(xué)工程和生物工程的華盛頓大學(xué)助理教授，也是華盛頓大學(xué)干細胞與再生醫(yī)學(xué)研究所的附屬研究員。“他們幾乎驅(qū)動細胞功能的所有變化 - 分化，運動，成長，死亡。”
出于這個原因，科學(xué)家長期以來一直使用蛋白質(zhì)來控制組織工程中的細胞生長和分化。
“但是社區(qū)最常用的將蛋白質(zhì)與材料結(jié)合的化學(xué)物質(zhì)，包括用于組織工程的支架，破壞了它們絕大多數(shù)的功能，”DeForest說，他也是威斯康星大學(xué)分子與工程科學(xué)研究所的教員。“從歷史上看，研究人員試圖通過簡單地用蛋白質(zhì)過載支架來彌補這一點，因為他們知道大多數(shù)蛋白質(zhì)都是不活躍的。在這里，我們提出了一種通用的方法，用蛋白質(zhì)可逆地功能化生物材料，同時保留其全部活性。 “
他們的方法使用一種叫做分選酶的酶，它可以在許多細菌中發(fā)現(xiàn)，在特定位置為每個信號蛋白添加一個短的合成肽：C-末端，每個蛋白質(zhì)上都存在一個位點。該團隊設(shè)計了這種肽，使其能夠?qū)⑿盘柕鞍走B接到組織工程中常見的充滿液體的生物材料支架中的特定位置，稱為水凝膠。
針對信號蛋白的單一位點是UW團隊的方法之一。其他方法通過將化學(xué)基團連接到隨機位置來修飾信號蛋白，這通常會破壞蛋白質(zhì)的功能。根據(jù)DeForest的說法，僅修改蛋白質(zhì)的C末端就不太可能破壞其功能。該團隊對六種以上不同類型的蛋白質(zhì)進行了測試。結(jié)果表明，修飾C-末端對蛋白質(zhì)功能沒有顯著影響，并成功地將蛋白質(zhì)束縛在整個水凝膠中。
他們的方法類似于將一塊框架藝術(shù)掛在墻上。它們不是通過玻璃，帆布和框架隨意敲擊釘子，而是在每個框架的背面串起一根鋼絲，將其掛在墻上。
另外，可以通過暴露于聚焦激光來切割系繩，從而引起蛋白質(zhì)的“光致釋放”。使用這種科學(xué)的光劍允許研究人員加載具有許多不同類型蛋白質(zhì)信號的水凝膠，然后將水凝膠暴露于激光以從水凝膠的某些部分中除去蛋白質(zhì)。通過選擇性地僅將部分材料暴露于激光，該團隊控制蛋白質(zhì)信號將保持與水凝膠束縛的位置。
去蛋白質(zhì)在水凝膠中是有用的，因為細胞可以接收這些信號，將它們帶入細胞內(nèi)部，在那里它們可以影響基因表達等過程。
DeForest的團隊使用含有表皮生長因子(一種蛋白質(zhì)信號)的水凝膠測試了光致分離過程。他們將人細胞系引入??水凝膠中，并觀察到與細胞膜結(jié)合的生長因子。該團隊使用一束激光來消除單個細胞一側(cè)的蛋白質(zhì)信號，而不是另一側(cè)的蛋白質(zhì)信號。在細胞的束縛側(cè)，蛋白質(zhì)停留在細胞外，因為它們?nèi)匀徽掣皆谒z上。在不受束縛的一側(cè)，蛋白質(zhì)信號被細胞內(nèi)化。
“基于我們?nèi)绾味ㄎ患す?，我們可以確保不同的細胞 - 甚至單個細胞的不同部分 - 正在接收不同的環(huán)境信號，”DeForest說。
DeForest補充說，單細胞內(nèi)這種獨特的精確度不僅有助于組織工程，還有細胞生物學(xué)的基礎(chǔ)研究。例如，研究人員可以利用這個平臺研究活細胞如何響應(yīng)多種蛋白質(zhì)信號組合。這一系列研究將幫助科學(xué)家了解蛋白質(zhì)信號如何協(xié)同工作以控制細胞分化，治愈病變組織并促進人類發(fā)育。
“這個平臺使我們能夠精確控制生物活性蛋白信號何時何地呈現(xiàn)給材料中的細胞，”DeForest說。“這為組織工程和治療研究中的許多激動人心的應(yīng)用打開了大門。”