通過毛細力誘導的懸滴陣列實現可編程的人造組織結構

通過構建人造生物係統 ，可以深入探究生命的複雜性和基本原理 ，揭示細胞運作的奧秘 。在這其中 ，自下而上的合成生物學作為一個跨學科領域 ，具有突出的重要性和深遠的意義 。它通過逐步組裝生物分子 、細胞和組織單元 ，構建出更為複雜的生物係統和結構 ，為科學研究和應用創新提供了新的途徑 。

由人造細胞構建人造組織結構 ，是自下而上合成生物學的重要目標 ，其中關鍵在於能夠控製個體人造細胞間的組裝 。與大多數依賴外部環境或複雜設備的方法不同 ，深圳大學劉洲團隊汲取了培養細胞球體所采用的懸滴法的啟發 ，采用了毛細流驅動的方法 ，利用具有圖案化潤濕性的蓋玻片 ，成功將基於巨型單層囊泡（GUVs）構建的人造細胞以有序排列的方式組裝成特定的組織陣列 。此項研究為合成生物學 、組織工程以及高通量分析領域提供了一種簡潔 、可擴展且可編程的方法 ，用以構建人造組織陣列 。這一方法不僅在科學上具備重要的意義 ，同時也為未來生物技術的發展提供了嶄新的可能性 。

圖一 ：脂質囊泡的產生和聚集。（A）微流控裝置中產生 W/O/W液滴模板 ，然後分別將其收集在開放容器和帶有親油蓋玻片的容器中 。在Case B中的囊泡與油滴實現分離 ；Case C中在油潤表麵上囊泡聚集在一起 。（B）（i）顯微鏡和熒光顯微鏡圖像和（ii）共聚焦圖像 ，顯示收集在開放容器中的W / O / W囊泡分離過程 ，其中紅色和綠色液滴分別是脂質囊泡和油相 。C）（i）光學和熒光顯微圖像和（ii）共聚焦圖像 ，顯示通過在親油蓋玻片覆蓋的容器中收集W / O / W液滴來緊密包裝的脂質囊泡 。

圖二 ：毛細流驅動的脂質囊泡聚集機製 。（A）示意圖和（B）光學顯微鏡圖像 ，顯示脂質囊泡毛細流驅動的組裝過程 ：（i）在開放容器中收集的核殼液滴 ；（ii）核殼液滴的溶劑殼潤濕親油蓋玻片 ，油滴因此變形 ；（iii）相鄰的核殼液滴相互接觸並聚結 ；（iv）由於側向毛細流吸引而導致的脂滴聚集 。（C）兩個油筏聚集示意圖（i）在濕潤的蓋玻片上 ，相鄰的兩個油筏相互接觸 ，它們之間形成油橋;（ii）通過毛細壓力將兩個油筏合並為一個 ，促進兩個囊泡的聚集 。

圖三 ：通過具有潤濕性圖案的蓋玻片實現囊泡聚集的陣列組織 。（A）設計具有幾何形狀的微加工印章並在蓋玻片上印刷具有潤濕性圖案的方法 。（B）通過光學顯微鏡和熒光圖像合並的圖像顯示 ，隨著親油結構域麵積的增加 ，聚集的囊泡數量不斷增加 。（C）聚集囊泡的數量與親油結構域麵積的關係圖 。（D）光學顯微鏡和熒光圖像顯示囊泡聚集集落的縱橫比在矩形親油結構域下改變 。（E）光學顯微鏡和熒光圖像顯示了在數獨格上印製產生的多個囊泡聚集群 。F）光學熒光圖像顯示由兩種囊泡形成的囊泡聚集集落 ，它們通過紅色和綠色熒光區分 。

圖四 ：兩個組裝的GUVs之間界麵上典型雙層結構的形成 。(A) 示意圖（i）與熒光顯微圖像（ii）以及熒光強度隨時間變化的圖表 ，揭示了通過帶有膜蛋白（蜜蜂毒肽）重構的組裝GUVs進行受控信號傳輸現象 。蜜蜂毒肽在兩個緊密包裹的囊泡之間形成的脂質雙層結構中創造了通道 。較小的綠色熒光的鈣黃綠色分子能夠穿過 ，而較大的紅色熒光的RBITC-葡聚糖分子則不能穿過 。(B) 示意圖（i）與熒光顯微圖像（ii）以及熒光強度隨時間變化的圖表 ，展示了沒有通道蛋白的GUVs進行信號傳輸時的現象作為對照組 ，這裏的鈣黃綠素和RBITC-葡聚糖均不能穿過GUVs之間形成的脂質雙層膜 。

圖五 ：基於聚集囊泡的組織模型中的酶級聯反應 。(A)展示了“囊泡A” 、 “囊泡B” 和油筏之間的酶級聯反應 。當“囊泡A” 和“囊泡B” 都被封裝在油筏中 ，加入葡萄糖後 ，油相中的報告分子會發出綠色熒光 。(B) 熒光顯微圖像和熒光強度隨時間變化的圖表 ，顯示了由以下組成的囊泡聚集群的情況 ：(i) 同時含有“囊泡A” 和“囊泡B” ，(ii) 無蜜蜂毒肽的對照組 ，(iii) 僅含“囊泡A” ，和 (iv) 僅含“囊泡B” 。

在本研究中構建的自下而上的人造組織陣列展現了分子信號的迅速傳遞 ，不僅跨越了液滴隔間中的多個脂質雙層 ，還跨越了液滴隔間與外部環境之間的脂質雙層 。脂質雙層中的選擇性通道確保了小分子的快速擴散 ，同時將大酶封存在隔間內，觸發了有序級聯化學反應 ，這些反應可以按順序有序地進行 。

通過精準控製相互連接的液滴隔間的數量 、形狀和組成 ，能夠根據需要精心設計不同的結構 。每個組織模塊可被視為微型處理器 ，其中分子通過細胞-細胞和細胞-環境之間的通信實現快速信號傳輸 ，彰顯了其在生物化學傳感和微反應器陣列方麵的應用潛力 。

此項研究為合成生物學 、組織工程以及高通量分析領域提供了一種簡潔 、可擴展且可編程的方法 ，用以構建人造組織陣列。這一方法不僅在科學上具備重要的意義 ，同時也為未來生物技術的發展提供了嶄新的可能性 。

該工作第一作者為深圳大學助理教授齊成 ，共同通訊作者為深圳大學副教授劉洲和孔湉湉 。

論文信息 ：Cheng Qi, Xudong Ma, Junfeng Zhong, Jiangyu Fang, Yuanding Huang, Xiaokang Deng, Tiantian Kong*, and Zhou Liu* ，Facile and Programmable Capillary-Induced Assembly of Prototissues via Hanging Drop Arrays ，ACS NanoDOI: 10.1021/acsnano.3c03516

原文鏈接 ：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c03516

作者簡介 ：劉洲 ，深圳大學化學與環境工程學院特聘研究員 、博導 。主要從事微流控技術 、流體物理 、軟物質材料等方麵的研究 ，在Advanced Materials ，Angewandte Chemie ，Advanced Functional Materials ，Small 等研究領域重要期刊上發表論文50餘篇 。所獲榮譽包括日內瓦國際發明展銀獎 、中國化學學會基礎研究二等獎 、深圳市優青 、深圳市高層次人才計劃B類 ，擔任中國化工學會微化工專委會青年委員等職務 。