組織工程可以改變醫(yī)學(xué)?？茖W(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(shí)驗(yàn)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(gè)未來(lái)的關(guān)鍵。在我們的身體中，蛋白質(zhì)信號(hào)告訴細(xì)胞去哪里，何時(shí)分裂以及做什么。在實(shí)驗(yàn)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(hào)來(lái)控制細(xì)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(jiān)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(guò)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(lái)自華盛頓大學(xué)的一組研究人員公布了一項(xiàng)新策略，通過(guò)在特定點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行修飾來(lái)保持蛋白質(zhì)完整和功能，以便它們可以通過(guò)光線化學(xué)束縛在支架上。 。由于系繩也可以通過(guò)激光切割，因此該方法可以在整個(gè)生物材料支架中產(chǎn)生信號(hào)蛋白的進(jìn)化模式，以生長(zhǎng)由不同類(lèi)型的細(xì)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(shuō)，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(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)研究所的附屬研究員。“他們幾乎驅(qū)動(dòng)細(xì)胞功能的所有變化 - 分化，運(yùn)動(dòng)，成長(zhǎng)，死亡。”

出于這個(gè)原因，科學(xué)家長(zhǎng)期以來(lái)一直使用蛋白質(zhì)來(lái)控制組織工程中的細(xì)胞生長(zhǎng)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(shuō)，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(guò)簡(jiǎn)單地用蛋白質(zhì)過(guò)載支架來(lái)彌補(bǔ)這一點(diǎn)，因?yàn)樗麄冎来蠖鄶?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(shí)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(xì)菌中發(fā)現(xiàn)，在特定位置為每個(gè)信號(hào)蛋白添加一個(gè)短的合成肽：C-末端，每個(gè)蛋白質(zhì)上都存在一個(gè)位點(diǎn)。該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了這種肽，使其能夠?qū)⑿盘?hào)蛋白連接到組織工程中常見(jiàn)的充滿(mǎn)液體的生物材料支架中的特定位置，稱(chēng)為水凝膠。

針對(duì)信號(hào)蛋白的單一位點(diǎn)是UW團(tuán)隊(duì)的方法之一。其他方法通過(guò)將化學(xué)基團(tuán)連接到隨機(jī)位置來(lái)修飾信號(hào)蛋白，這通常會(huì)破壞蛋白質(zhì)的功能。根據(jù)DeForest的說(shuō)法，僅修改蛋白質(zhì)的C末端就不太可能破壞其功能。該團(tuán)隊(duì)對(duì)六種以上不同類(lèi)型的蛋白質(zhì)進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，修飾C-末端對(duì)蛋白質(zhì)功能沒(méi)有顯著影響，并成功地將蛋白質(zhì)束縛在整個(gè)水凝膠中。

另外，可以通過(guò)暴露于聚焦激光來(lái)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(lèi)型蛋白質(zhì)信號(hào)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(guò)選擇性地僅將部分材料暴露于激光，該團(tuán)隊(duì)控制蛋白質(zhì)信號(hào)將保持與水凝膠束縛的位置。他們的方法類(lèi)似于將一塊框架藝術(shù)掛在墻上。它們不是通過(guò)玻璃，帆布和框架隨意敲擊釘子，而是在每個(gè)框架的背面串起一根鋼絲，將其掛在墻上。

去蛋白質(zhì)在水凝膠中是有用的，因?yàn)榧?xì)胞可以接收這些信號(hào)，將它們帶入細(xì)胞內(nèi)部，在那里它們可以影響基因表達(dá)等過(guò)程。

DeForest的團(tuán)隊(duì)使用含有表皮生長(zhǎng)因子(一種蛋白質(zhì)信號(hào))的水凝膠測(cè)試了光致分離過(guò)程。他們將人細(xì)胞系引入??水凝膠中，并觀察到與細(xì)胞膜結(jié)合的生長(zhǎng)因子。該團(tuán)隊(duì)使用一束激光來(lái)消除單個(gè)細(xì)胞一側(cè)的蛋白質(zhì)信號(hào)，而不是另一側(cè)的蛋白質(zhì)信號(hào)。在細(xì)胞的束縛側(cè)，蛋白質(zhì)停留在細(xì)胞外，因?yàn)樗鼈內(nèi)匀徽掣皆谒z上。在不受束縛的一側(cè)，蛋白質(zhì)信號(hào)被細(xì)胞內(nèi)化。

“基于我們?nèi)绾味ㄎ患す?，我們可以確保不同的細(xì)胞 - 甚至單個(gè)細(xì)胞的不同部分 - 正在接收不同的環(huán)境信號(hào)，”DeForest說(shuō)。

DeForest補(bǔ)充說(shuō)，單細(xì)胞內(nèi)這種獨(dú)特的精確度不僅有助于組織工程，還有細(xì)胞生物學(xué)的基礎(chǔ)研究。例如，研究人員可以利用這個(gè)平臺(tái)研究活細(xì)胞如何響應(yīng)多種蛋白質(zhì)信號(hào)組合。這一系列研究將幫助科學(xué)家了解蛋白質(zhì)信號(hào)如何協(xié)同工作以控制細(xì)胞分化，治愈病變組織并促進(jìn)人類(lèi)發(fā)育。

該平臺(tái)使我們能夠精確控制生物活性蛋白信號(hào)何時(shí)何地呈現(xiàn)給材料中的細(xì)胞。這為組織工程和治療研究中的許多激動(dòng)人心的應(yīng)用打開(kāi)了大門(mén)。“

Cole DeForest