像人類一樣，細胞很容易受到來自同伴壓力的影響。
以大腦中的一個神經幹細胞為例：這個細胞是仍然是一個幹細胞，還是分化成一個完全成形的腦細胞，最終取決於這個細胞從無數同伴那裡接收到的一組複雜的分子信息。科學家們希望利用這些幹細胞來治療阿爾茨海默病或帕金森病等神經系統疾病，所以，理解這些信息是關鍵。
藉助光刻技術和可編程DNA的創造性應用，加州大學伯克利分校研究人員創建了一個新的技術，可迅速“打印”二維陣列的細胞和蛋白質，模仿體內各種細胞環境——周圍的腦組織神經幹細胞，腸內壁或肝臟或腫瘤細胞內部配置。
這項技術可以幫助科學家更好地理解決定細胞最終命運的複雜的細胞間信息，從分化成腦細胞的神經幹細胞到有可能轉移到胚胎幹細胞成為器官細胞的腫瘤細胞。
“對這個平臺真正強大的是，你可以創建體外組織捕獲體內細胞的空間組織，從消化道的腸道內膜到肝臟中不同類型細胞的排列。”奧利維亞·沙伊德爾說，他在伯克利讀研時完成了這一研究。“我認為你可以把這項技術應用到任何你想要探索細胞間相互作用如何影響組織功能的組織中去。”
在3月18日發表在《科學進展》雜誌上的一篇論文中，沙伊德爾和她的合作伙伴展示了這項新技術可以被用於在平面上快速打印多達10種不同類型的細胞或蛋白質的複雜圖案。
“從本質上講，這項技術讓我們能夠以一種高通量的方式一次性模擬不同的條件。”加州大學伯克利分校的機械工程教授、該論文的資深作者莉迪亞·索恩(Lydia Sohn)說。“它為你的學習提供了一系列的選擇，因為它非常靈活。你可以給許多不同種類的細胞或蛋白質定型。”
被DNA鏈抓住了
在這項新技術中，每個細胞或蛋白質都用一條短的DNA鏈拴在基質上。雖然類似的方法已經被開發出來，一個接一個地連接系細胞或蛋白質，但這項新技術利用一種稱為光刻法的圖形處理過程，在一個快速批次中連接或打印每種類型的細胞蛋白質，大大加快了這一過程。
“這就像彩色激光打印，你先打印一種顏色，然後再打印另一種顏色。”索恩說。
與攝影一樣，光刻術的工作原理是將被塗覆的表面或基板暴露在光的圖案下，引發化學反應，在被照的區域溶解塗層，留下模板基板。在這項新技術中，基板被浸泡在單側DNA鏈中，DNA鏈的末端經過化學改變，牢牢地附著在塗層溶解的地方。
每個單側DNA鏈都有一個特定的核苷酸腺嘌呤(a)、胸腺嘧啶(T)、鳥嘌呤(G)和胞嘧啶(C)序列。帶有互補核苷酸序列的單側DNA鏈被嵌入或附著在感興趣的細胞或蛋白質上。
最後，用細胞或蛋白質的混合物清洗表面，這些混合物附著在互補的單側DNA鏈上，與已經附著在表面的單側DNA結合，形成雙螺旋“鏈”。
“由於DNA編程，所有的細胞和蛋白質都準確地附著在它們應該在的位置。”索恩說。
通過重複這一過程，多達10種不同類型的細胞或蛋白質可以以任意的模式拴在表面上。
相互矛盾的消息
為了證明這項技術的眾多應用之一，Scheideler和合著者加州大學伯克利分校生化工程傑出教授David Schaffer利用該平臺研究了神經幹細胞分化成成熟細胞的化學信號。
“幹細胞的DNA中嵌入了一些程序，告訴它們要麼保持幹細胞的形態，要麼分化成成熟的細胞。”Schaffer說，“它們從周圍的環境和其他細胞中接收到大量信息，知道該做什麼，該激活哪些程序。如果我們能學會如何讓幹細胞為我們服務，如何將它們轉變成一種特定的細胞類型，那麼我們就能利用幹細胞大規模生產因疾病或受傷而喪失的特殊細胞類型。”
Scheideler說，大腦中的神經幹細胞經常從它們的鄰居那裡收到關於它們應該如何表現的相互矛盾的信息。一個信使，FGF-2蛋白質，告訴它們製造更多的幹細胞。另一種是ephrin-B2蛋白質，告訴它們分化成一個成熟的神經元。
Scheideler利用這項新技術，將神經幹細胞植入FGF-2和ephrin-B2這兩種蛋白質的數千個不同陣列上，以觀察這兩種信號的空間組織如何幫助決定細胞的最終命運。
她發現，許多幹細胞分化成成熟的神經元，即使它們主要與FGF-2接觸，或“保持幹細胞”信使。然而，當她仔細觀察時，她發現那些分化的細胞更有可能有小的、手指狀的延伸，或“神經突”，接觸到ephrin-B2或“分化”信使。
“這種技術的偉大之處在於，你可以很容易地在一張幻燈片上成百上千次地複製這些小模式。”Schaffer說，“這就像進行一千個獨立的小實驗，每一個都是一個試驗，看看幹細胞如何傾聽周圍的細胞。然後你就可以得到非常、非常深入的數據，這些數據是關於它可以被監管的各種方式的。”
原文來源：https://www.sciencedaily.com/releases/2020/03/200318143655.htm
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