用半機械器官，打開發育生物學領域的黑匣子

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隨著自然發育中的組織一起生長的微型感測器

一小群細胞是如何組織成為心臟、大腦或者腎臟等器官的？這一發育的關鍵時期，長期以來一直是發育生物學領域的黑匣子。部分原因是因為沒有足夠小且足夠靈活的感測器在不損傷細胞的前提下來觀察這一過程。

近日，來自美國哈佛大學John A. Paulson工程與應用科學學院(SEAS)的研究人員，培育出了一種簡化的類器官，它具有完全集成的感測器。這些所謂的「半機械器官」為我們提供了一個罕見的機會以窺探器官發育的早期階段。該研究近日已發表在《Nano Letters》上。

該研究通訊作者、SEAS生物工程助理教授Jia Liu說：「我在高中的時候就對器官自然發育的過程產生了濃厚興趣，在這一過程中，少量細胞由二維結構發育成三維器官。如果我們能開發出靈活可伸縮且柔軟的納米電子設備，它就可以隨著自然發育中的組織一起生長，那麼嵌入式的感測器就能監測發育過程的整個活動。我們最終結果是培育一塊組織，納米級設備完全分布和集成在該組織的整個三維空間中。」

這種類型的設備來自Liu作為研究生時在其導師Charles M. Lieber實驗室開始的工作。那時，Liu曾經開發出一種柔性的網狀納米電子裝置，可以被注射到組織的特定位置。

在這個設計的基礎上，Liu和他的團隊通過將網格形狀從直線變為曲線結構（類似於可穿戴電子產品使用的結構）增強了這種電子設備的可伸縮性。然後，該團隊將網狀納米電子設備轉移到二維的幹細胞薄片上，這些細胞通過細胞間引力與納米電子設備相互交織，並將其覆蓋。隨著這些幹細胞開始形成三維結構，納米電子設備也會相應地進行無縫重組，從而產生了完全成長的三維有機體，並嵌入感測器。

然後，幹細胞分化為心肌細胞，研究人員能持續90天監測並記錄器官內的電生理學活動。

圖片來源：《Nano Letters》

Liu說：「這種方法讓我們能夠持續監測細胞的發育過程，並了解單個細胞的動力學是如何在整個發育過程中開始相互作用和同步的。該方法可以將任何類器官轉化為半機械類器官，包括大腦和胰腺類器官。」

除了幫助解答生物學的基本問題之外，半機械類器官還可以被用於測試和監測患者特異性藥物治療，並有可能被用於移植。

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