在許多方面，干細(xì)胞是生物界的天才。一方面，這些天然的變形器可以將自身轉(zhuǎn)化為體內(nèi)幾乎任何類型的細(xì)胞。在這方面，他們承諾能夠治愈從脊髓損傷到癌癥等疾病。另一方面，材料科學(xué)與工程副教授Sarah Heilshorn表示，干細(xì)胞就像女主角一樣，也是一種善變和困難的工作。“我們只是不知道如何有效地生長(zhǎng)大量干細(xì)胞并使其保持再生狀態(tài)，”Heilshorn說。“這使我們無法在創(chuàng)造治療方面取得更多進(jìn)展。”

到現(xiàn)在為止。在最近發(fā)表在“ 自然材料”雜志上的一篇論文中，Heilshorn描述了一種解決生長(zhǎng)和保存神經(jīng)干細(xì)胞的雙重挑戰(zhàn)的解決方案，在這種狀態(tài)下神經(jīng)干細(xì)胞仍然可以成熟為許多不同的細(xì)胞類型。第一個(gè)挑戰(zhàn)是大量增加干細(xì)胞需要空間。像傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)一樣，這是一種二維事件。如果你想要更多的小麥，玉米或干細(xì)胞，你需要更多的表面積。因此，培養(yǎng)干細(xì)胞需要大量相對(duì)昂貴的實(shí)驗(yàn)室空間，更不用說將其全部拉下來所需的能量和營(yíng)養(yǎng)。

第二個(gè)挑戰(zhàn)是，一旦他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室培養(yǎng)皿中分開多次，干細(xì)胞就不容易保持理想狀態(tài)，成為其他類型的細(xì)胞。研究人員將這種品質(zhì)稱為“干性”。Heilshorn發(fā)現(xiàn)，對(duì)于她正在使用的神經(jīng)干細(xì)胞，保持細(xì)胞的干性需要細(xì)胞接觸。

Heilshorn的團(tuán)隊(duì)正在研究一種特殊類型的干細(xì)胞，這種干細(xì)胞會(huì)成熟為神經(jīng)元和神經(jīng)系統(tǒng)的其他細(xì)胞。如果產(chǎn)生足夠數(shù)量的這些類型的細(xì)胞，可以產(chǎn)生治療以修復(fù)脊髓損傷，抵抗創(chuàng)傷性腦損傷或治愈一些最嚴(yán)重的神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，如帕金森病和亨廷頓氏病。

尋求干燥

Heilshorn的解決方案涉及使用更好的材料來生長(zhǎng)干細(xì)胞。她的實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了新的聚合物基凝膠，可以讓細(xì)胞以三維而不是兩個(gè)維生長(zhǎng)。這種新的3-D工藝占目前干細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)所需實(shí)驗(yàn)室空間的不到1%。而且因?yàn)榧?xì)胞很小，所以3-D凝膠疊層只有一毫米高，大約是一角硬幣的厚度。“對(duì)于三維文化，我們只需要一個(gè)4英寸×4英寸的實(shí)驗(yàn)室空間，或大約16平方英寸。二維文化需要四英尺乘四英尺，或大約16平方根據(jù)第一作者克里斯·馬德爾(Chris Madl)的說法，這個(gè)空間超過100倍，他是Heilshorn實(shí)驗(yàn)室最近的生物工程博士研究生。

除了顯著節(jié)省實(shí)驗(yàn)室空間外，新工藝還需要更少的營(yíng)養(yǎng)和更少的能源。

團(tuán)隊(duì)開發(fā)的凝膠允許干細(xì)胞重塑長(zhǎng)分子并保持彼此的物理接觸，以保持細(xì)胞之間的關(guān)鍵通信通道。“簡(jiǎn)單的觸摸行為是干細(xì)胞與保持干細(xì)胞之間溝通的關(guān)鍵。如果干細(xì)胞無法改造凝膠，它們就無法相互接觸，”Madl解釋道。“如果干細(xì)胞無法接觸，它們就不會(huì)完全死亡，但它們會(huì)失去再生能力，而這正是我們真正需要的治療成功，”Heilshorn補(bǔ)充道。

驚人的結(jié)果

這需要對(duì)神經(jīng)干細(xì)胞重塑他們的環(huán)境不同于什么Heilshorn與其它類型的干細(xì)胞的工作已經(jīng)找到。對(duì)于那些細(xì)胞，凝膠的剛度 - 而不是重塑的能力 - 這是保持干燥的關(guān)鍵因素。就像對(duì)于這些其他類型的干細(xì)胞一樣，凝膠必須模仿最終將細(xì)胞移植到其中的組織的剛性。Heilshorn說，神經(jīng)祖細(xì)胞不是這樣。“神經(jīng)細(xì)胞干對(duì)剛度不敏感，這對(duì)我們來說是一個(gè)很大的驚喜，”她說。

結(jié)果是如此引人注目和意外，Heilshorn起初并不相信自己的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)室最終測(cè)試了三種完全不同的凝膠，看看它們的結(jié)論是否成立，這是這種研究中不尋常的補(bǔ)充步驟。通過每種新材料，他們看到那些可以改造的材料可以生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的干細(xì)胞; 那些無法改造的產(chǎn)品會(huì)對(duì)干燥產(chǎn)生負(fù)面影響。

接下來Heilshorn的研究計(jì)劃是創(chuàng)造可以直接從實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)皿注入體內(nèi)的凝膠。這種可能性使她對(duì)干細(xì)胞療法再次感到樂觀。她曾說過，有一段時(shí)間，感覺就好像這塊土地撞到了墻上，因?yàn)閷?duì)于再生的最初興奮讓位于診所的結(jié)果令人失望。她說，隨著她的新發(fā)現(xiàn)，新的事物可能就在眼前。“ 干細(xì)胞研究中存在生物學(xué)知識(shí)和工程原理的這種融合，我希望我們最終可以解決一些重大問題，”她說。