改變游戲規(guī)則的科學(xué)的靈感似乎來自任何地方。發(fā)霉的細(xì)菌板給我們第一種抗生素青霉素。用鉑電極切割酵母導(dǎo)致強(qiáng)效化療藥物順鉑。

機(jī)械生物學(xué)的興起

用蘋果種植人耳似乎是不合理的，但Pelling的關(guān)鍵見解是，蘋果的纖維內(nèi)部與實(shí)驗室中通常用于生物工程人體組織的微環(huán)境非常相似。

例如，為了制造替代耳朵，科學(xué)家通常用昂貴的生物相容材料雕刻或3D打印中空支撐結(jié)構(gòu)。然后，他們將人類干細(xì)胞接種到結(jié)構(gòu)中，并且苦心提供生長因子和營養(yǎng)物質(zhì)的混合物以促使細(xì)胞生長。最終，經(jīng)過數(shù)周和數(shù)月的孵育，細(xì)胞在支架上擴(kuò)散并分化成皮膚樣細(xì)胞。結(jié)果是生物工程替代耳朵。

問題?極高的進(jìn)入條件：干細(xì)胞，生長因子和支架材料都很難獲得并且成本高昂。

但這些關(guān)鍵組件真的有必要嗎?

“我們經(jīng)常通過基因組或生物化學(xué)的鏡頭來思考生物學(xué)，”Pelling說。但細(xì)胞和組織是生命成分 - 它們伸展，壓縮和剪切，產(chǎn)生相互作用的機(jī)械力。

在一系列實(shí)驗中，Pelling和其他人發(fā)現(xiàn)這些機(jī)械力不僅僅是生物學(xué)的副產(chǎn)品;相反，它們似乎至關(guān)重要地調(diào)節(jié)了細(xì)胞的潛在分子機(jī)制。

早期的一項研究發(fā)現(xiàn)，胚胎生長的每個階段 - “生物學(xué)中的基本過程” - 都可以通過機(jī)械信息進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。換句話說，物理力可以驅(qū)動細(xì)胞分裂并通過組織遷移，因為我們的遺傳密碼指導(dǎo)整個身體的形成。

在實(shí)驗室中，拉伸和機(jī)械刺激細(xì)胞似乎也從根本上改變了它們的行為。在一項試驗中，Pelling的團(tuán)隊將癌細(xì)胞涂在培養(yǎng)皿底部生長的一片皮膚細(xì)胞上。癌細(xì)胞擠在一起形成小球，在微腫瘤和皮膚細(xì)胞之間形成明顯的屏障。

但是，當(dāng)團(tuán)隊將整個細(xì)胞系統(tǒng)放入一個微小伸展的設(shè)備中 - 模仿身體的呼吸和運(yùn)動 - 腫瘤細(xì)胞變得具有攻擊性，進(jìn)入皮膚細(xì)胞層。

“這里沒有基因改造......或生物化學(xué)。這純粹是機(jī)械上的影響，“Pelling說。“這些事情之間存在著根本的聯(lián)系。”

甚至更冷：機(jī)械力不需要主動運(yùn)動來改變細(xì)胞的行為方式。他們的微環(huán)境的形狀足以指導(dǎo)他們的行動。

例如，當(dāng)Pelling將兩種細(xì)胞類型放入具有凹槽的物理結(jié)構(gòu)中時，細(xì)胞在數(shù)小時內(nèi)自我隔離，其中一種類型在槽中生長而另一種在較高的壁架中生長。通過簡單地感測該凹槽表面的形狀，他們“學(xué)會”在遠(yuǎn)距離上分離和空間圖案。

外賣：單獨(dú)使用形狀，可以刺激細(xì)胞形成復(fù)雜的三維圖案。

這是蘋果進(jìn)來的地方。

我的蘋果......耳朵?

在顯微鏡下，蘋果的微環(huán)境與用于制造替代組織的工程表面處于相同的長度范圍。這一發(fā)現(xiàn)讓團(tuán)隊想知道：是否有可能利用植物的表面模式來培養(yǎng)人體器官?

為了測試它，他們拿了一個蘋果并沖走了它的所有植物細(xì)胞，DNA和其他生物分子。這給他們留下了纖維狀的腳手架 - 通常會卡在牙齒上的東西。當(dāng)團(tuán)隊將人體和動物細(xì)胞粘在體內(nèi)時，細(xì)胞開始生長并擴(kuò)散。

鼓勵，然后團(tuán)隊將一個蘋果手工雕刻成人耳的形狀并重復(fù)上述過程。幾周之內(nèi)細(xì)胞就會滲透，將蘋果塊變成肉質(zhì)的人耳。

當(dāng)然，擁有合適的形狀是不夠的。替代組織也必須在體內(nèi)存活。

該團(tuán)隊接下來在一只老鼠的皮膚下直接植入了一個基于蘋果的支架。在短短八周內(nèi)，不僅小鼠的健康細(xì)胞侵入基質(zhì)，嚙齒動物的身體也產(chǎn)生了新的膠原蛋白和血管，有助于保持腳手架的生存和健康。

這對于工程組織來說有三個重要方面：它是安全的，它是生物相容的，它來自可持續(xù)的道德來源。

“這件事正在成為身體的生命部分，它曾經(jīng)是一個蘋果，我們通過去雜貨店做到了這一點(diǎn)，”Pelling說。

進(jìn)入臨床空間

由于其簡單性，Pelling特別為他的發(fā)現(xiàn)感到興奮：它不需要干細(xì)胞或外來生長因子。優(yōu)雅的方法利用了植物的物理結(jié)構(gòu)。

該團(tuán)隊現(xiàn)在將其工作擴(kuò)展到組織工程的三個主要領(lǐng)域：軟組織軟骨，骨骼，脊髓和神經(jīng)修復(fù)。Pelling解釋說，關(guān)鍵是要將植物的特定微觀結(jié)構(gòu)與組織的微觀結(jié)構(gòu)相匹配。

“看到這種狂野的想法以這種方式轉(zhuǎn)化真是令人興奮，”他說。

為什么要把自己限制在大自然賦予我們的身體部位?如果腳手架的形狀是設(shè)計組織或器官的唯一決定因素，為什么不設(shè)計我們自己的?

Pelling接受了這個想法并與??它一起運(yùn)行，委托一家設(shè)計公司為三種不同類型的耳朵勾勒出腳手架：平均人耳，尖尖的Spock形耳，以及旨在抑制或增強(qiáng)不同頻率的波浪形耳 - 在理論上 - 增強(qiáng)聽證會。