哈尔滨工业大学韩晓军课题组Nat. Commun.：程序化磁操控囊泡构建空间编码的人工组织

【引言】

在生命的进化过程中，主要的转变之一是具有空间编码的多细胞系统的出现，这些细胞可以进行交流和协作，以组织或器官的形式表现出更高阶的集体行为。通过人造细胞的可控组装来模仿这些系统，有望对人工生命系统的构建和组织工程领域产生重要影响。到目前为止，脂质体，聚合物体和油包水液滴等类细胞结构已被用于构建人工组织，它们表现出更高阶的行为，包括通讯、变形、信号传导等。但是，除了基于油包水液滴网络的一系列突破性研究之外，当前大多数组织样结构都是某些类细胞结构的无定形聚集体。巨型磷脂囊泡是细胞的理想模型。将大量巨型磷脂囊泡组装成空间编码的类组织结构以模仿自然组织的存在形式仍然是一个巨大的挑战。

【成果简介】

哈尔滨工业大学韩晓军团队利用磁阿基米德效应，通过引入顺磁性介质在不锈钢（SS）网格内部将巨型磷脂囊泡组装成具有特定空间排布的各种组织形态。所构建的人工组织在高盐浓度（1 M）和纯水条件下表现出异常的稳定性，体现了这类结构的群体特异性行为，表明在生命进化过程中，细胞群体比单个细胞具有生存优势。该团队同时研究了人工组织内部巨型磷脂囊泡间酶的级联反应、以及巨型磷脂囊泡与细胞群落之间的化学物质交流。该成果所展示的人工组织构建方法，在合成生物学、组织工程学中具有广泛的应用前景。该成果以题为“Programmed magnetic manipulation of vesicles into spatially coded prototissue architectures arrays”发表在国际著名期刊Nat. Commun.上。

【图文导读】

图1.在垂直磁场下不锈钢（SS）网格内巨型磷脂囊泡（GUV）的组装

a用于GUV组装的设备的示意图：SS网格位于磁铁顶部中心区域。

b此时SS网格内部的磁场分布模拟：俯视图（上图）和侧视图（下图）。

c网格孔内GUV数量不同时的荧光图像。

e其中一个孔内的激光共聚焦图像：俯视图和侧视图。

f GUV构建的人工组织的3D图像。

g具有不同形态的GUV人工组织的荧光图像。

h密堆积微孔的SS网格的示意图及其磁场分布模拟。

i在h中的网格中构建的GUV人工组织的荧光图像。

图2.在水平和倾斜磁场下，SS网格上的GUV组装

a水平磁场装置的示意图。

b水平磁场下SS网格顶面上的磁场分布模拟。

c在水平磁场下形成的GUV群落的荧光图像。

d在SS网格孔内产生倾斜磁场的装置示意图。

e倾斜磁场下SS网格孔内的磁场分布模拟。

f倾斜磁场下GUV群落的荧光图像。

图3.空间编码的GUV人工组织

a通过垂直磁场排布绿色巨型磷脂囊泡（gGUVs）和红色巨型磷脂囊泡（rGUVs）混合物形成的GUV人工组织的示意图和荧光图像。

b通过应用垂直磁场对gGUV和rGUV进行交替组装构建的GUV人工组织示意图和荧光图。

c通过对gGUV和rGUV分别进行倾斜磁场操控获得的GUV群落。

d通过对gGUVs进行倾斜磁场操控，而对rGUVs进行垂直磁场操控后获得的GUV群落。

e通过连续对gGUV和rGUV施加互相垂直的平行磁场所得到GUV群落。

f 通过先对gGUV进行垂直磁场操控，而后两次对rGUV进行平行磁场操控后获得的GUV群落。

图4.GUV人工组织内部的化学物质交流

a带有蜂毒肽的gGUV（内含葡萄糖氧化酶）群落与未标记的GUV（内含辣根过氧化物酶）群落之间的化学通讯示意图

b外部为gGUV（内含葡萄糖氧化酶）而内部为未标记的GUV（内含辣根过氧化物酶）的人工组织的荧光图像（左）、明场图像（中）、以及二者的合并图像（右）。

c通过添加葡萄糖和Amplex Red导致内部未标记GUV内生成红色试卤灵后，，随时间变化的人工组织的荧光图像。

d红色试卤灵的荧光强度随时间变化曲线。

e人工组织内部完成内部化学物质交流后的荧光图像： gGUVs群落（左），含有试卤灵的GUV群落（中），合并图像（右）。

f GUV产生的H₂O₂杀死肝癌细胞的示意图。

g 人工组织内部GUV产生的H₂O₂引起相邻肝癌细胞死亡的图像。

【总结】

在自然界中，细胞组装成空间编码的组织结构，以集体形式执行更高阶的生物学功能。开展基于人造细胞的组织构建研究，可了解多细胞生物的进化机制，为可植入体内的人工组织的设计和构建提供基础。在本文中，作者使用不锈钢网将巨型磷脂囊泡以及真实细胞组装成各种形态的类组织结构。这些人工组织中的GUV表现出高度的渗透压稳定性，这是单个GUV无法实现的。这项工作提供了一种通用、经济的构建人工组织的方法，并表明了原始细胞聚集体相对于单个原始细胞在应对外界环境刺激时的优越性。

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

1. 团队介绍

哈工大韩晓军，英国皇家化学会会士（Fellow of the Royal Society of Chemistry, FRSC），教育部化工类专业教学指导委员会委员，新世纪优秀人才，黑龙江省杰出青年科学基金获得者。长期从事磷脂分子组装构建人造细胞领域研究，迄今在JACS等刊物上发表了100多篇相关SCI论文，获得黑龙江省科学技术奖（自然科学类，二等，排名第一）1项；独立撰写十二五国家重点图书规划专著1 部，以及4部章节，获得10多项各类科研基金资助，其中国家自然科学基金6项，受邀在国内外学术会议上做主题/邀请报告60余次。

2. 团队在该领域的工作汇总

申请人长期从事人造细胞领域研究，已有20年的研究历史，在此领域取得了下列研究成果：

1）人工细胞膜方面：采用非对称电场（Anal. Chem., 2018, 90, 14363）、构建巨型囊泡和磷脂管，揭示了非对称电场下磷脂分子的组装机理（ACS Nano. 2014, 8, 3961）；利用空间限域的原理制备了化学梯度表面（Adv. Funct. Mater. 2012, 22, 4533），揭示了表面浸润性质对磷脂膜形成的影响规律；将交流电场和布朗棘轮结构相结合实现了膜中带电物种（包括膜蛋白）的富集，为天然条件下研究膜蛋白的结构和功能研究奠定了基础（J. Am. Chem. Soc. 2011, 113, 6521）；利用纳米孔技术显著提高了可用于离子通道研究的非支撑磷脂膜的稳定性（从几个小时达到7天）（Adv. Mater. 2007, 19, 4466）；开发了一种新型高阻抗液滴-固体界面支撑磷脂膜体系，可用于研究离子通道功能（Anal. Chem. 2015, 87, 2094）。

2）人工细胞器方面：构建了与天然细胞器结构相似的囊状堆叠生物膜结构，模拟了叶绿体中的基粒（Adv. Mater. 2018, 30, 1707482）和粗面内质网（iScience, 2018, 8, 138）的结构和简单功能，预言了真实粗面内质网可能存在多螺旋结构单元，发展了非球形微米尺度人工细胞器的研究方向。

3）具有复杂功能的人造细胞方面：采用渗透压诱导囊泡形变的方法，构建了多室囊泡结构，实现了内部小囊泡内外溶液成分的精准可控，构建了具有分裂功能的类真核细胞（J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 9955）、具有天然类囊体（ACS Synth. Biol. 2018, 7, 945），以及具有两个人工细胞器的人造细胞（Analytical Chemistry, 2019, 91, 6859），并实现了这两个细胞器之间的化学物质交流。

4）人造细胞的群体行为：采用声场/磁场构建了人造细胞/真实细胞群落（Nature Communications, 2020, 11, 232；Chemical Science, 2019,10, 9446），建立了研究人造细胞间、以及人造细胞与真实细胞间的化学物质交流的平台，为后续研究细胞间的群体行为奠定了基础。

3.相关优质文献推荐。

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.

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