自 1877 年首次使用以來，培養皿已成為實驗室的標誌，與顯微鏡、本生燈和實驗服共享同樣的崇高地位。但現在，研究已經從相對簡單的抗生素耐藥性研究轉向更復雜的過程，如組織再生，因此需要更強大的細胞培養系統——一種更接近細胞在體內所處環境的系統。
麻省理工學院生物醫學工程中心副主任張曙光認為，他已經找到了一種將這些系統提升到三維的方法。他的方法涉及一個裝滿自組裝肽的試管——一種叫做 RADA16 的短氨基酸分子——它可以自發地組織成 3-D 支架，細胞可以在其中像在體內的細胞外基質上一樣生長。
在自然環境中，細胞附著於其他細胞和結合分子，如蛋白質膠原蛋白，膠原蛋白是結締組織的主要成分。細胞被包裹在這種多孔的網狀結構中，能夠交換營養物質並接收代謝和激素訊號所需的氧氣。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。 透過購買訂閱，您將幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
張教授解釋說：“組織細胞通常在 3-D 環境中生長，而不是 2-D 環境中。 “眾所周知，3-D 與 2-D 截然不同。 例如，2-D 只提供表面，而 3-D 也提供空間。 因此，2-D 環境中的細胞行為不正常。 它們的形態會發生變化以適應 2-D 平面環境。”
在培養皿中，細胞簇在培養基表面鋪展開來。 這會導致細胞的所有粘附受體都遷移到細胞的一側，從而顯著改變其代謝功能和生長模式。
在過去的 30 年中，先前建立由合成聚合物製成的人造微纖維環境的嘗試遇到了兩個主要障礙。 大多數創造的微纖維支架的直徑比細胞大幾個數量級，本質上重現了與培養皿相同的效果。 一種名為 Matrigel 的生物材料可以創造出合適的纖維尺寸，已被證明可用於模擬細胞外環境，但這種物質是從小鼠腫瘤細胞中分泌出來的，不能在體內使用，並且含有許多成分不明且樣品之間不一致的生長因子和成分。 正如張教授所說，“我們不知道里面有什麼。”
哈佛醫學院醫學副教授 Richard T. Lee 說：“二維培養的數十年經驗告訴我們，基質或生長條件的相對較小的變化會顯著影響細胞表型、存活和分化。” “三維支架中的細胞反應很可能同樣會受到支架設計和支架傳遞的生長因子的影響。”
張教授的自組裝肽系統建立的支架由直徑約為大多數細胞大小的 0.2% 的纖維組成——比人類頭髮細約 5,000 倍。 在 RADA16 的基礎上，張教授添加了基序——已知影響幹細胞分化成某種型別細胞的氨基酸片段——例如膠原蛋白和骨髓歸巢肽。 然後，他測試了這些基序，以瞭解小鼠神經幹細胞在它們的存在下分化的效果如何。 他發現，用骨髓歸巢肽增強的 RADA16 在提供祖細胞可以成熟為神經元的環境方面，比 RADA16 本身表現得更好。 此外，這種延長的肽的表現與神秘的混合物 Matrigel 相當。
紐約大學神經生物學家 Todd C. Holmes 說：“在這項工作之前，嵌合肽是否由自組裝序列和生物活性序列組成，是否能協同工作，還是一個懸而未決的問題。” “目前的結果證明它們可以。”
張教授斷言，此處建立的系統可以針對其他用途進行調整，包括用於再生醫學的組織修復，例如皮膚移植。 埃默裡大學的生物醫學工程師 Michael E. Davis 同意自組裝肽是一種通用的聚合物。 他指出，“理想情況下，一旦為特定應用找到最佳序列，將其應用於臨床可能相當便宜。”
張教授認為，轉向 3-D 支架系統對於防止研究人員因追逐反映細胞在二維繫統下變異行為的靶點而“緣木求魚”至關重要。 張教授說：“我告訴人們，可能在 20 年後，所有關於組織培養的教科書都必須因為這些 3-D 細胞培養系統而進行修訂。”