哈爾濱工業大學韓曉軍課題組Nat. Commun.：程序化磁操控囊泡構建空間編碼的人工組織

【引言】

在生命的進化過程中，主要的轉變之一是具有空間編碼的多細胞系統的出現，這些細胞可以進行交流和協作，以組織或器官的形式表現出更高階的集體行為。通過人造細胞的可控組裝來模仿這些系統，有望對人工生命系統的構建和組織工程領域產生重要影響。到目前為止，脂質體，聚合物體和油包水液滴等類細胞結構已被用于構建人工組織，它們表現出更高階的行為，包括通訊、變形、信號傳導等。但是，除了基于油包水液滴網絡的一系列突破性研究之外，當前大多數組織樣結構都是某些類細胞結構的無定形聚集體。巨型磷脂囊泡是細胞的理想模型。將大量巨型磷脂囊泡組裝成空間編碼的類組織結構以模仿自然組織的存在形式仍然是一個巨大的挑戰。

【成果簡介】

哈爾濱工業大學韓曉軍團隊利用磁阿基米德效應，通過引入順磁性介質在不銹鋼（SS）網格內部將巨型磷脂囊泡組裝成具有特定空間排布的各種組織形態。所構建的人工組織在高鹽濃度（1 M）和純水條件下表現出異常的穩定性，體現了這類結構的群體特異性行為，表明在生命進化過程中，細胞群體比單個細胞具有生存優勢。該團隊同時研究了人工組織內部巨型磷脂囊泡間酶的級聯反應、以及巨型磷脂囊泡與細胞群落之間的化學物質交流。該成果所展示的人工組織構建方法，在合成生物學、組織工程學中具有廣泛的應用前景。該成果以題為“Programmed magnetic manipulation of vesicles into spatially coded prototissue architectures arrays”發表在國際著名期刊Nat. Commun.上。

【圖文導讀】

圖1.在垂直磁場下不銹鋼（SS）網格內巨型磷脂囊泡（GUV）的組裝

a用于GUV組裝的設備的示意圖：SS網格位于磁鐵頂部中心區域。

b此時SS網格內部的磁場分布模擬：俯視圖（上圖）和側視圖（下圖）。

c網格孔內GUV數量不同時的熒光圖像。

e其中一個孔內的激光共聚焦圖像：俯視圖和側視圖。

f GUV構建的人工組織的3D圖像。

g具有不同形態的GUV人工組織的熒光圖像。

h密堆積微孔的SS網格的示意圖及其磁場分布模擬。

i在h中的網格中構建的GUV人工組織的熒光圖像。

圖2.在水平和傾斜磁場下，SS網格上的GUV組裝

a水平磁場裝置的示意圖。

b水平磁場下SS網格頂面上的磁場分布模擬。

c在水平磁場下形成的GUV群落的熒光圖像。

d在SS網格孔內產生傾斜磁場的裝置示意圖。

e傾斜磁場下SS網格孔內的磁場分布模擬。

f傾斜磁場下GUV群落的熒光圖像。

圖3.空間編碼的GUV人工組織

a通過垂直磁場排布綠色巨型磷脂囊泡（gGUVs）和紅色巨型磷脂囊泡（rGUVs）混合物形成的GUV人工組織的示意圖和熒光圖像。

b通過應用垂直磁場對gGUV和rGUV進行交替組裝構建的GUV人工組織示意圖和熒光圖。

c通過對gGUV和rGUV分別進行傾斜磁場操控獲得的GUV群落。

d通過對gGUVs進行傾斜磁場操控，而對rGUVs進行垂直磁場操控后獲得的GUV群落。

e通過連續對gGUV和rGUV施加互相垂直的平行磁場所得到GUV群落。

f 通過先對gGUV進行垂直磁場操控，而后兩次對rGUV進行平行磁場操控后獲得的GUV群落。

圖4.GUV人工組織內部的化學物質交流

a帶有蜂毒肽的gGUV（內含葡萄糖氧化酶）群落與未標記的GUV（內含辣根過氧化物酶）群落之間的化學通訊示意圖

b外部為gGUV（內含葡萄糖氧化酶）而內部為未標記的GUV（內含辣根過氧化物酶）的人工組織的熒光圖像（左）、明場圖像（中）、以及二者的合并圖像（右）。

c通過添加葡萄糖和Amplex Red導致內部未標記GUV內生成紅色試鹵靈后，，隨時間變化的人工組織的熒光圖像。

d紅色試鹵靈的熒光強度隨時間變化曲線。

e人工組織內部完成內部化學物質交流后的熒光圖像： gGUVs群落（左），含有試鹵靈的GUV群落（中），合并圖像（右）。

f GUV產生的H₂O₂殺死肝癌細胞的示意圖。

g 人工組織內部GUV產生的H₂O₂引起相鄰肝癌細胞死亡的圖像。

【總結】

在自然界中，細胞組裝成空間編碼的組織結構，以集體形式執行更高階的生物學功能。開展基于人造細胞的組織構建研究，可了解多細胞生物的進化機制，為可植入體內的人工組織的設計和構建提供基礎。在本文中，作者使用不銹鋼網將巨型磷脂囊泡以及真實細胞組裝成各種形態的類組織結構。這些人工組織中的GUV表現出高度的滲透壓穩定性，這是單個GUV無法實現的。這項工作提供了一種通用、經濟的構建人工組織的方法，并表明了原始細胞聚集體相對于單個原始細胞在應對外界環境刺激時的優越性。

文獻鏈接：Programmed magnetic manipulation of vesicles into spatially coded prototissue architectures arrays. Nat. Commun., 2020, DOI: 10.1038/s41467-019-14141-x.

1. 團隊介紹

哈工大韓曉軍，英國皇家化學會會士（Fellow of the Royal Society of Chemistry, FRSC），教育部化工類專業教學指導委員會委員，新世紀優秀人才，黑龍江省杰出青年科學基金獲得者。長期從事磷脂分子組裝構建人造細胞領域研究，迄今在JACS等刊物上發表了100多篇相關SCI論文，獲得黑龍江省科學技術獎（自然科學類，二等，排名第一）1項；獨立撰寫十二五國家重點圖書規劃專著1 部，以及4部章節，獲得10多項各類科研基金資助，其中國家自然科學基金6項，受邀在國內外學術會議上做主題/邀請報告60余次。

2. 團隊在該領域的工作匯總

申請人長期從事人造細胞領域研究，已有20年的研究歷史，在此領域取得了下列研究成果：

1）人工細胞膜方面：采用非對稱電場（Anal. Chem., 2018, 90, 14363）、構建巨型囊泡和磷脂管，揭示了非對稱電場下磷脂分子的組裝機理（ACS Nano. 2014, 8, 3961）；利用空間限域的原理制備了化學梯度表面（Adv. Funct. Mater. 2012, 22, 4533），揭示了表面浸潤性質對磷脂膜形成的影響規律；將交流電場和布朗棘輪結構相結合實現了膜中帶電物種（包括膜蛋白）的富集，為天然條件下研究膜蛋白的結構和功能研究奠定了基礎（J. Am. Chem. Soc. 2011, 113, 6521）；利用納米孔技術顯著提高了可用于離子通道研究的非支撐磷脂膜的穩定性（從幾個小時達到7天）（Adv. Mater. 2007, 19, 4466）；開發了一種新型高阻抗液滴-固體界面支撐磷脂膜體系，可用于研究離子通道功能（Anal. Chem. 2015, 87, 2094）。

2）人工細胞器方面：構建了與天然細胞器結構相似的囊狀堆疊生物膜結構，模擬了葉綠體中的基粒（Adv. Mater. 2018, 30, 1707482）和粗面內質網（iScience, 2018, 8, 138）的結構和簡單功能，預言了真實粗面內質網可能存在多螺旋結構單元，發展了非球形微米尺度人工細胞器的研究方向。

3）具有復雜功能的人造細胞方面：采用滲透壓誘導囊泡形變的方法，構建了多室囊泡結構，實現了內部小囊泡內外溶液成分的精準可控，構建了具有分裂功能的類真核細胞（J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 9955）、具有天然類囊體（ACS Synth. Biol. 2018, 7, 945），以及具有兩個人工細胞器的人造細胞（Analytical Chemistry, 2019, 91, 6859），并實現了這兩個細胞器之間的化學物質交流。

4）人造細胞的群體行為：采用聲場/磁場構建了人造細胞/真實細胞群落（Nature Communications, 2020, 11, 232；Chemical Science, 2019,10, 9446），建立了研究人造細胞間、以及人造細胞與真實細胞間的化學物質交流的平臺，為后續研究細胞間的群體行為奠定了基礎。

3.相關優質文獻推薦。

Qingchuan Li^#, Shubin Li^#, Xiangxiang Zhang, Weili Xu, Xiaojun Han,* Programmed magnetic manipulation of vesicles into spatially coded prototissue architectures arrays, Nature Communications, 2020, 11, 232.

Xuejing Wang^#, Liangfei Tian^#, Hang Du, Mei Li, Wei Mu, Bruce W. Drinkwater, Xiaojun Han*, and Stephen Mann*, Chemical communication in spatially organized protocell colonies and protocell/living cell micro-arrays, Chemical Science, 2019,10, 9446-9453.

Qingchuan Li, Chao Li, Wei Mu, Xiaojun Han*, Topological Defect-Driven Buckling of Phospholipid Bicelles to Cones for Micromotors with Modulated Heading Pathways, ACS Nano, 2019, 13, 3573-3579.

Qingchuan Li, Xiaojun Han*, Self-assembled rough endoplasmic reticulum-like proto-organelles, iScience, 2018, 8, 138-147.

Qingchuan Li, Xiaojun Han*, Self-assembled “breathing” grana-like cisternae stacks. Adv. Mater. 2018, 30, 1707482.

Wei Zong^#, Shenghua Ma^#, Xunan Zhang, Xuejing Wang, Qingchuan Li, Xiaojun Han*, A fissionable artificialeukaryote-like cell model. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 9955-9960.

Hongmei Bi, Dingguo Fu, Lei Wang, Xiaojun Han*, Lipid Nanotube Formation Using Space Regulated Electric Field aboveInterdigitated Electrodes. ACS Nano. 2014, 8, 3961–3969.

本文由材料人學術組tt供稿，材料牛整理編輯。?

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