科學(xué)家實(shí)現(xiàn)活體細(xì)胞內(nèi)3D打印微結(jié)構(gòu)技術(shù)突破

研究團(tuán)隊(duì)證明，可以在活體人類細(xì)胞內(nèi)直接制造定制的聚合物微結(jié)構(gòu)。

人類細(xì)胞極其微小且結(jié)構(gòu)緊密——直徑約為20微米，大約只有人類頭發(fā)寬度的五分之一。每個(gè)細(xì)胞內(nèi)部都密集地填充著蛋白質(zhì)、細(xì)胞器和分子機(jī)器。能夠在這個(gè)空間內(nèi)放置微小的結(jié)構(gòu)，將使科學(xué)家能夠長(zhǎng)期追蹤細(xì)胞、測(cè)量化學(xué)變化或研究細(xì)胞如何響應(yīng)物理力。

但實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)一直很困難。大多數(shù)細(xì)胞無(wú)法攝入大于約1微米的固體物體。免疫細(xì)胞可以吞噬外來(lái)物質(zhì)，但這會(huì)將其困在膜包裹的隔室內(nèi)，而不是釋放到細(xì)胞質(zhì)中，使其無(wú)法自由地與細(xì)胞內(nèi)部相互作用。

其他方法，如顯微注射或暫時(shí)打開細(xì)胞膜，在遞送分子方面效果良好，但尚未被用于將堅(jiān)固的獨(dú)立結(jié)構(gòu)直接放置在細(xì)胞內(nèi)部。

在活細(xì)胞內(nèi)構(gòu)建功能性結(jié)構(gòu)

然而，在活細(xì)胞內(nèi)打印結(jié)構(gòu)帶來(lái)了一系列獨(dú)特的限制。激光和打印材料必須在比所造物體更小的空間中工作，同時(shí)必須避免毒性效應(yīng)并保護(hù)細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

斯洛文尼亞的研究人員現(xiàn)已證明這是可以實(shí)現(xiàn)的。在發(fā)表于《先進(jìn)材料》期刊的一項(xiàng)研究中，該團(tuán)隊(duì)展示，可以使用一種基于激光的方法——雙光子聚合技術(shù)——直接在活的人類細(xì)胞內(nèi)部制造定制的聚合物微結(jié)構(gòu)。這一結(jié)果為在細(xì)胞內(nèi)構(gòu)建功能性結(jié)構(gòu)開辟了新途徑，有效地將細(xì)胞內(nèi)部變成了精確生物制造的場(chǎng)所。

該過(guò)程首先需要將打印材料放入細(xì)胞內(nèi)。研究人員使用超細(xì)玻璃針，將微小的商用光刻膠（稱為IP-S）液滴注射到常見的人類細(xì)胞系——海拉細(xì)胞中。據(jù)報(bào)道，所選材料經(jīng)過(guò)精心挑選，以確保與活細(xì)胞兼容，硬化后無(wú)毒，并且如果未完全固化則可溶解。

注射后，每個(gè)直徑約10至15微米的液滴，通過(guò)一臺(tái)高精度顯微鏡暴露在超快激光下。激光僅在其焦點(diǎn)處觸發(fā)聚合反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)在細(xì)胞內(nèi)部進(jìn)行精確的三維塑形。通過(guò)高速逐層掃描材料中的焦點(diǎn)，團(tuán)隊(duì)能夠構(gòu)建出堅(jiān)固的微結(jié)構(gòu)，同時(shí)保持周圍的細(xì)胞環(huán)境完好無(wú)損。

細(xì)胞適應(yīng)其內(nèi)部打印的結(jié)構(gòu)

為演示該方法，團(tuán)隊(duì)打印了一系列微小形狀，包括一只10微米大的大象、實(shí)驗(yàn)室徽標(biāo)、空心球體和網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)。成像證實(shí)，這些物體位于細(xì)胞膜內(nèi)，細(xì)胞核明顯改變了形狀以便為打印出的材料騰出空間。

這對(duì)細(xì)胞存活率的影響與其他侵入性技術(shù)相當(dāng)。24小時(shí)后，含有打印結(jié)構(gòu)的細(xì)胞中約55%不再存活，這與僅穿刺細(xì)胞膜而不打印時(shí)觀察到的約50%死亡率相似。

保留了打印結(jié)構(gòu)的細(xì)胞通常行為正常。它們保持典型形態(tài)并繼續(xù)分裂，延時(shí)成像顯示打印出的物體在有絲分裂期間被傳遞給子細(xì)胞。然而，較大的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了可測(cè)量的影響：大于5微米的物體使細(xì)胞分裂延遲至少一個(gè)小時(shí)，這表明細(xì)胞內(nèi)的異物會(huì)微妙地改變其行為。

目前，該方法依賴于對(duì)單個(gè)細(xì)胞進(jìn)行注射，限制了其大規(guī)模應(yīng)用，不過(guò)更好的材料和遞送技術(shù)可能會(huì)提高可擴(kuò)展性。即便如此，在細(xì)胞質(zhì)中打印出堅(jiān)固、形狀精確的物體這一能力，開辟了新的可能性——從施加可控的機(jī)械力，到實(shí)現(xiàn)局部傳感或藥物釋放。

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