通过毛细力诱导的悬滴阵列实现可编程的人造组织结构

通过构建人造生物系统，可以深入探究生命的复杂性和基本原理，揭示细胞运作的奥秘。在这其中，自下而上的合成生物学作为一个跨学科领域，具有突出的重要性和深远的意义。它通过逐步组装生物分子、细胞和组织单元，构建出更为复杂的生物系统和结构，为科学研究和应用创新提供了新的途径。

由人造细胞构建人造组织结构，是自下而上合成生物学的重要目标，其中关键在于能够控制个体人造细胞间的组装。与大多数依赖外部环境或复杂设备的方法不同，深圳大学刘洲团队汲取了培养细胞球体所采用的悬滴法的启发，采用了毛细流驱动的方法，利用具有图案化润湿性的盖玻片，成功将基于巨型单层囊泡（GUVs）构建的人造细胞以有序排列的方式组装成特定的组织阵列。此项研究为合成生物学、组织工程以及高通量分析领域提供了一种简洁、可扩展且可编程的方法，用以构建人造组织阵列。这一方法不仅在科学上具备重要的意义，同时也为未来生物技术的发展提供了崭新的可能性。

图一：脂质囊泡的产生和聚集。（A）微流控装置中产生 W/O/W液滴模板，然后分别将其收集在开放容器和带有亲油盖玻片的容器中。在Case B中的囊泡与油滴实现分离；Case C中在油润表面上囊泡聚集在一起。（B）（i）显微镜和荧光显微镜图像和（ii）共聚焦图像，显示收集在开放容器中的W / O / W囊泡分离过程，其中红色和绿色液滴分别是脂质囊泡和油相。C）（i）光学和荧光显微图像和（ii）共聚焦图像，显示通过在亲油盖玻片覆盖的容器中收集W / O / W液滴来紧密包装的脂质囊泡。

图二：毛细流驱动的脂质囊泡聚集机制。（A）示意图和（B）光学显微镜图像，显示脂质囊泡毛细流驱动的组装过程：（i）在开放容器中收集的核壳液滴；（ii）核壳液滴的溶剂壳润湿亲油盖玻片，油滴因此变形；（iii）相邻的核壳液滴相互接触并聚结；（iv）由于侧向毛细流吸引而导致的脂滴聚集。（C）两个油筏聚集示意图（i）在湿润的盖玻片上，相邻的两个油筏相互接触，它们之间形成油桥;（ii）通过毛细压力将两个油筏合并为一个，促进两个囊泡的聚集。

图三：通过具有润湿性图案的盖玻片实现囊泡聚集的阵列组织。（A）设计具有几何形状的微加工印章并在盖玻片上印刷具有润湿性图案的方法。（B）通过光学显微镜和荧光图像合并的图像显示，随着亲油结构域面积的增加，聚集的囊泡数量不断增加。（C）聚集囊泡的数量与亲油结构域面积的关系图。（D）光学显微镜和荧光图像显示囊泡聚集集落的纵横比在矩形亲油结构域下改变。（E）光学显微镜和荧光图像显示了在数独格上印制产生的多个囊泡聚集群。F）光学荧光图像显示由两种囊泡形成的囊泡聚集集落，它们通过红色和绿色荧光区分。

图四：两个组装的GUVs之间界面上典型双层结构的形成。(A) 示意图（i）与荧光显微图像（ii）以及荧光强度随时间变化的图表，揭示了通过带有膜蛋白（蜜蜂毒肽）重构的组装GUVs进行受控信号传输现象。蜜蜂毒肽在两个紧密包裹的囊泡之间形成的脂质双层结构中创造了通道。较小的绿色荧光的钙黄绿色分子能够穿过，而较大的红色荧光的RBITC-葡聚糖分子则不能穿过。(B) 示意图（i）与荧光显微图像（ii）以及荧光强度随时间变化的图表，展示了没有通道蛋白的GUVs进行信号传输时的现象作为对照组，这里的钙黄绿素和RBITC-葡聚糖均不能穿过GUVs之间形成的脂质双层膜。

图五：基于聚集囊泡的组织模型中的酶级联反应。(A)展示了“囊泡A”、 “囊泡B” 和油筏之间的酶级联反应。当“囊泡A” 和“囊泡B” 都被封装在油筏中，加入葡萄糖后，油相中的报告分子会发出绿色荧光。(B) 荧光显微图像和荧光强度随时间变化的图表，显示了由以下组成的囊泡聚集群的情况：(i) 同时含有“囊泡A” 和“囊泡B”，(ii) 无蜜蜂毒肽的对照组，(iii) 仅含“囊泡A”，和 (iv) 仅含“囊泡B”。

在本研究中构建的自下而上的人造组织阵列展现了分子信号的迅速传递，不仅跨越了液滴隔间中的多个脂质双层，还跨越了液滴隔间与外部环境之间的脂质双层。脂质双层中的选择性通道确保了小分子的快速扩散，同时将大酶封存在隔间内，触发了有序级联化学反应，这些反应可以按顺序有序地进行。

通过精准控制相互连接的液滴隔间的数量、形状和组成，能够根据需要精心设计不同的结构。每个组织模块可被视为微型处理器，其中分子通过细胞-细胞和细胞-环境之间的通信实现快速信号传输，彰显了其在生物化学传感和微反应器阵列方面的应用潜力。

此项研究为合成生物学、组织工程以及高通量分析领域提供了一种简洁、可扩展且可编程的方法，用以构建人造组织阵列。这一方法不仅在科学上具备重要的意义，同时也为未来生物技术的发展提供了崭新的可能性。

该工作第一作者为深圳大学助理教授齐成，共同通讯作者为深圳大学副教授刘洲和孔湉湉。

论文信息：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

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c03516

作者简介：刘洲，深圳大学化学与环境工程学院特聘研究员、博导。主要从事微流控技术、流体物理、软物质材料等方面的研究，在Advanced Materials，Angewandte Chemie，Advanced Functional Materials，Small 等研究领域重要期刊上发表论文50余篇。所获荣誉包括日内瓦国际发明展银奖、中国化学学会基础研究二等奖、深圳市优青、深圳市高层次人才计划B类，担任中国化工学会微化工专委会青年委员等职务。