科学家用合成生物学和三维打印技术打造可编程的生命材料

科学家用合成生物学和三维打印技术打造可编程的生命材料 从第 1 天（左）到第 14 天（右），3D 打印在水凝胶中的植物细胞生长并开始繁茂成黄色的细胞簇。图片来源：改编自 ACS Central Science 2024，DOI: 10.1021/acscentsci.4c00338最近，研究人员一直在开发工程活体材料，主要依靠细菌和真菌细胞作为活体成分。然而，植物细胞的独特特性激起了将其用于工程植物活体材料（EPLMs）的热情。以前，科学家们创造的基于植物细胞的材料结构相当简单，功能有限。余子怡、狄振高及其同事希望改变这种状况，他们制作了形状复杂的 EPLM，其中含有可定制行为和功能的基因工程植物细胞。24 天后，植物细胞在两种不同的生物墨水中产生的颜色在这种叶形工程活体材料中清晰可见。来源：改编自 ACS Central Science 2024，DOI: 10.1021/acscentsci.4c00338研究人员将烟草植物细胞与含有农杆菌的明胶和水凝胶微粒混合，农杆菌是一种常用于将DNA片段转入植物基因组的细菌。然后将这种生物墨水混合物在平板上或装有另一种凝胶的容器内进行 3D 打印，形成网格、雪花、树叶和螺旋等形状。接着，用蓝光固化打印材料中的水凝胶，使结构硬化。在随后的 48 小时内，EPLMs 中的细菌将 DNA 转移到生长中的烟草细胞上。然后他们用抗生素清洗这些材料，以杀死细菌。在接下来的几周里，随着植物细胞在 EPLMs 中生长和复制，它们开始根据转移的 DNA 生成蛋白质。在这项概念验证研究中，转移的DNA使烟草植物细胞能够产生绿色荧光蛋白或贝特类色素红色或黄色的植物色素，可作为天然着色剂和膳食补充剂。通过用两种不同的生物墨水打印叶形 EPLM一种墨水沿叶脉产生红色素，另一种墨水在叶片的其他部分产生黄色素研究人员表明，他们的技术可以产生复杂的、空间可控的多功能结构。研究人员说，这种 EPLM 结合了生物体的特征和非生物物质的稳定性和耐久性，可以用作细胞工厂，生产植物代谢物或药物蛋白质，甚至用于可持续建筑应用。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家发明冷等离子喷射敷料 专注于慢性伤口治疗

科学家发明冷等离子喷射敷料 专注于慢性伤口治疗 为此，南澳大利亚大学（Uni SA）的研究人员研究了一种控制感染和促进愈合的新技术：一种由冷等离子电离气体激活的水凝胶。该研究的通讯作者 Endre Szili 说："抗生素和银敷料常用于治疗慢性伤口，但两者都有缺点。抗生素的抗药性不断增加是一个全球性挑战，银引起的毒性也令人十分担忧。在欧洲，银敷料正逐渐被淘汰。"以前的研究已经证明了使用冷等离子电离气体促进伤口愈合的好处，即减少细菌负荷，并通过激活环境空气中的氧分子和氮分子产生活性氧和氮物种（RONS）。到目前为止，水凝胶在涂抹到伤口上之前已被等离子体产生的 RONS 所负载，但这一过程并不完美。"尽管最近在使用等离子活化水凝胶疗法（PAHT）方面取得了令人鼓舞的成果，但我们在为水凝胶加载临床使用所需的足够浓度的 RONS 方面仍面临挑战，"Szili 说。"我们采用了一种新的电化学方法来增强水凝胶的活化，从而克服了这一障碍。"研究人员使用聚乙烯醇（PVA）制作了水凝胶，因为这种凝胶已被广泛批准用于医疗保健领域，而且具有出色的机械和生物相容性。用氦等离子喷射器处理 PVA 水凝胶，使其活化，产生 RONS。8% 的 PVA 水凝胶被确定为 PAHT 敷料的最佳选择，因为它可以很容易地被等离子体产生的 RONS 激活，同时保持其结构完整性、保形性和膨胀能力。研究人员将水凝胶置于铝板上方，使等离子体羽流在处理过程中与水凝胶保持接触，然后比较了两种技术，以了解是否可以通过电化学方法提高 RONS 的产生：一种是通过断开铝板与接地导线的连接使水凝胶保持"浮动电位"，另一种是将水凝胶"接地"。a)"浮动电位"和 b)"接地"配置下处理过程中的等离子射流照片 萨布林等人将等离子处理过的水凝胶培养三小时，研究过氧化氢（H2O2）和氧化亚氮（NO2-）的释放情况，这两种物质分别被用作总活性氧（ROS）和活性氮（RNS）的标记。研究人员发现，在等离子处理过程中将水凝胶接地可显著提高H2O2的产生，而在处理过程中对凝胶进行水合处理可进一步提高H2O2的产生。此外，等离子射流-水凝胶界面的湿度与H2O2生成的增加密切相关。至于 NO2-，接地增加了湿度的产生，而水合的影响可以忽略不计。在体外实验中，这种水凝胶能非常有效地控制大肠杆菌和绿脓杆菌的生长，而这两种细菌是糖尿病足溃疡中常见的细菌。研究人员表示，虽然这项研究的重点是糖尿病伤口，但该技术可用于治疗所有慢性伤口和内部感染。Szili说："我们的PAHT技术的一大优势是，它可用于治疗所有伤口。这是一种环保安全的治疗方法，它利用空气和水中的天然成分来制造活性成分，活性成分会降解为无毒和生物兼容的成分"。下一步是进行临床试验，以优化电化学技术，用于治疗人类患者。今后，研究人员将研究如何利用这项技术，通过激活注入人体的水凝胶中的药物来治疗癌症肿瘤。Szili说："活性成分可以长期输送，改善治疗效果，并有更大的机会穿透肿瘤。血浆在医疗领域有着巨大的潜力，而这只是冰山一角。"这项研究发表在《先进功能材料》杂志上。 ... PC版： 手机版：

科学家实现利用脂肪组织进行3D生物打印

科学家实现利用脂肪组织进行3D生物打印 一种使用脂肪组织的新型 3D 生物打印方法可以打印分层的活体皮肤和毛囊，有望改善重建手术和毛发生长治疗的效果。 这项专利技术在老鼠身上进行了成功的测试，可以彻底改变治疗皮肤损伤和增强美容手术的方法。该团队的研究结果发表在《生物活性材料》上。 美国专利商标局于二月份授予该团队一项在本研究中开发和使用的生物打印技术的专利。宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学、生物医学工程和神经外科教授易卜拉欣·T·奥兹博拉特 (Ibrahim T. Ozbolat) 表示：“用于纠正因受伤或疾病而造成的面部或头部创伤的重建手术通常并不完美，会导致疤痕或永久性脱发。通过这项工作，我们证明了生物打印的全层皮肤具有在老鼠身上生长毛发的潜力。 这距离实现更自然、更美观的人类头部和面部重建又近了一步。”他领导了开展这项工作的国际合作。虽然科学家之前已经对薄层皮肤进行了 3D 生物打印，但 Ozbolat 和他的团队是第一个在术中打印多个皮肤层（包括最底层或皮下组织）的完整生命系统的。 研究人员表示，术中指的是在手术期间打印组织的能力，这意味着该方法可用于更立即、无缝地修复受损皮肤。 顶层作为可见皮肤的表皮在中间层的支撑下自行形成，因此不需要打印。 皮下组织由结缔组织和脂肪组成，为头骨提供结构和支撑。宾夕法尼亚州立大学博士后研究员 Miji Yeo 检查 3D 打印机上的生物墨盒，该打印机专为术中打印皮肤层而开发。 图片来源：米歇尔·比克斯比/宾夕法尼亚州立大学“皮下组织直接参与干细胞变成脂肪的过程，”奥兹博拉特说。 “这个过程对于包括伤口愈合在内的几个重要过程至关重要。 它还在毛囊循环中发挥作用，特别是促进头发生长。”皮肤生物打印的突破研究人员首先从宾夕法尼亚州立大学健康米尔顿·赫尔希医疗中心接受手术的患者身上获取人体脂肪或脂肪组织。 合作者迪诺·J·拉夫尼克 (Dino J. Ravnic) 是宾夕法尼亚州立大学医学院整形外科系的外科副教授，他带领他的实验室获得了用于提取细胞外基质的脂肪细胞外基质是分子和蛋白质的网络，为细胞提供结构和稳定性。 组织制造生物墨水的一种成分。Ravnic 的团队还从脂肪组织中获得了干细胞，如果提供正确的环境，干细胞有可能成熟为几种不同的细胞类型，从而制造另一种生物墨水成分。 每个组件都被加载到生物打印机的三个隔室之一中。 第三个隔室充满了凝血溶液，有助于其他成分正确地结合到受伤部位。“这三个隔室使我们能够在精确控制下共同打印基质-纤维蛋白原混合物和干细胞，”Ozbolat 说。 “我们直接打印到损伤部位，目标是形成皮下组织，这有助于伤口愈合、毛囊生成、温度调节等。”他们获得了皮下组织和真皮层，表皮在两周内自行形成。“我们在大鼠身上进行了三组研究，以更好地了解脂肪基质的作用，我们发现基质和干细胞的共同传递对于皮下组织的形成至关重要，”Ozbolat 说。 “它不能仅对细胞或基质有效地起作用它必须同时起作用。”他们还发现皮下组织含有向下生长，这是早期毛囊形成的初始阶段。 研究人员表示，虽然脂肪细胞不直接参与毛囊的细胞结构，但它们参与毛囊的调节和维护。“在我们的实验中，脂肪细胞可能改变了细胞外基质，以更有利于向下生长的形成，”奥兹博拉特说。 “我们正在努力推进这一目标，以控制密度、方向性和生长的方式使毛囊成熟。”奥兹博拉特表示，在创伤的受伤或患病部位精确生长毛发的能力可能会限制自然重建手术的表现。 他说这项工作提供了一条“充满希望的前进道路”，特别是与他实验室的其他项目相结合，包括打印骨骼和研究如何匹配各种肤色的色素沉着。“我们相信这可以应用于皮肤科、毛发移植以及整形和重建手术它可能会带来更加美观的结果，”奥兹博拉特说。“凭借全自动生物打印能力和临床级兼容材料，这项技术可能会对精确重建皮肤的临床转化产生重大影响。”编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家工程改造皮肤细菌 使其生产普通药物对抗痤疮

科学家工程改造皮肤细菌 使其生产普通药物对抗痤疮 痤疮的起因是毛囊被死皮细胞和油脂堵塞，继而发炎，形成我们再熟悉不过的粉刺、丘疹和白头。在打算不挤破它们的时候，我们可以用杀死油脂分泌细胞的药物或针对毛囊中细菌的抗生素来治疗。最近更多的实验性研究包括粉刺疫苗、益生菌或微针贴片，它们都能攻击致病的细菌。但如果我们能让这些细菌为我们工作呢？在这项新研究中，西班牙庞培法布拉大学（UPF）的科学家们研究了如何设计皮肤细菌来生产痤疮药物中的活性成分。他们的目标是痤疮丙酸杆菌，这是皮肤上最常见的细菌种类，也是生活在毛囊深处的细菌。过度分泌一种叫做皮脂的油脂是痤疮的常见诱因，许多痤疮药物如异维A酸都是通过杀死产生皮脂的细胞来发挥作用的。在这种情况下，痤疮丙酸杆菌被设计成能产生一种名为 NGAL 的蛋白质，这种蛋白质能介导自然产生的异维A酸。研究小组在实验室培养的人类皮肤细胞中测试了这种经过编辑的细菌，发现它能够产生和分泌 NGAL，减少皮脂分泌。在对小鼠的测试中，这种细菌也能存活并发挥作用，但由于小鼠的皮肤与我们的皮肤差别很大，因此无法通过这种方式测试其对痤疮的影响。这种技术不仅能帮助清除痤疮，还能减少对抗生素的依赖，因为抗生素正日益导致细菌产生抗药性。研究人员说，虽然还需要做更多的工作，包括首先在三维皮肤模型上进行尝试才能将这种技术用于人体试验，但它也可用于治疗其他皮肤病。首先是特应性皮炎。这项研究的首席研究员马克-居尔（Marc Güell）说："我们开发了一个技术平台，为编辑任何细菌治疗多种疾病打开了大门。现在的重点是利用痤疮丙酸杆菌治疗痤疮，但我们也可以提供基因电路来创建智能微生物，用于与皮肤传感或免疫调节相关的应用。"这项研究发表在《自然-生物技术》杂志上。 ... PC版： 手机版：

科学家发现利用营养物质有效治疗癌症的新方法

科学家发现利用营养物质有效治疗癌症的新方法 一个国际研究小组开发出一种治疗癌症的新方法，利用营养物质重新激活癌细胞中休眠的代谢途径。研究小组利用一种广泛存在的氨基酸酪氨酸，以纳米药物的形式输送，改变了黑色素瘤（一种严重的皮肤癌）的新陈代谢，从而抑制了癌症的生长。澳大利亚是世界上皮肤癌发病率最高的国家。这种新方法可以与现有疗法相结合，更好地治疗黑色素瘤。这项技术还有可能治疗其他类型的癌症。这项研究由复旦大学的卜文波教授和悉尼科技大学的金大勇教授领导，最近发表在著名期刊《自然纳米技术》（NatureNanotechnology）上。酪氨酸在生物体内的生物利用率有限。然而，研究人员利用一种新的纳米技术，将酪氨酸包装成被称为纳米微粒的微小颗粒，这种微粒会被癌细胞膜吸引，并很容易分解，从而促进吸收。研究小组随后在小鼠和实验室中的人源黑色素瘤细胞中测试了这种创新疗法，发现酪氨酸纳米微粒重新激活了休眠代谢途径，引发了黑色素合成，抑制了肿瘤生长。"不受控制的快速生长是癌细胞区别于正常细胞的一个关键特征。在癌细胞中，一些新陈代谢途径被过度激活，而另一些则被抑制，从而为快速扩散创造了必要的环境，"金教授说。"虽然此前已开发出一些基于代谢的癌症药物，如阻碍乳腺癌中雌激素合成的芳香化酶抑制剂和针对各种癌症中糖酵解的HK2抑制剂，但这些药物都是通过抑制过度激活代谢途径来发挥作用的。""我们的研究首次表明，通过重新激活处于休眠状态的新陈代谢途径，可以阻止癌症的发生。而这可以通过使用简单的营养物质来实现，如氨基酸、糖和维生素，它们安全、易得、耐受性好，"卜教授说。不同类型的癌症会对不同的营养物质做出反应。黑色素瘤细胞是从产生黑色素的皮肤细胞黑色素细胞发展而来的。黑色素的生成需要酪氨酸，酪氨酸能刺激黑色素的生成，因此对黑色素瘤有效。黑色素合成的重新激活迫使黑色素瘤细胞减少糖酵解（将糖转化为能量的过程），这被认为是其抗癌作用的机制。黑色素瘤细胞也容易受到热应力的影响。研究人员发现，通过将酪氨酸纳米簇治疗与近红外激光治疗相结合，他们能够在六天后根除小鼠体内的黑色素瘤，而且在研究期间黑色素瘤不会再次发生。研究结果表明，利用纳米药物治疗癌症有望开辟一个新领域。编译自/ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家发明可穿越血脑屏障的纳米粒子

科学家发明可穿越血脑屏障的纳米粒子 科学家们乐观地认为，他们的方法已在临床前模型中初见成效，最终可用于用一种疗法同时治疗脑转移瘤和原发性乳腺癌肿瘤。迈阿密大学米勒医学院西尔维斯特综合癌症中心的研究人员创造了一种能够穿越血脑屏障的纳米粒子。他们的目标是通过一次治疗消除原发性乳腺癌肿瘤和脑转移瘤。实验室研究表明，这种方法能有效缩小乳腺癌和脑肿瘤的体积。这些继发性肿瘤被称为脑转移瘤，最常见于乳腺癌、肺癌和结肠癌等实体瘤，通常预后较差。当癌症侵入大脑时，治疗就会变得非常困难，部分原因是血脑屏障，这是一层几乎无法穿透的薄膜，将大脑与身体的其他部分隔开。领导这项研究的生物化学与分子生物学副教授、西尔维斯特公司技术与创新部助理主任香塔-达尔（Shanta Dhar）博士说，西尔维斯特团队的纳米粒子有朝一日可能被用于治疗转移瘤，同时还能治疗原发肿瘤。她是5月6日发表在《美国国家科学院院刊》上的一篇论文的资深作者。Shanta Dhar 博士 Credit: Sylvester研究人员在粒子中加入了两种针对线粒体（细胞的能量产生中心）的原药，结果表明，他们的方法可以在临床前研究中缩小乳腺和脑肿瘤。达尔说："我总是说纳米医学是未来，当然我们已经进入了这个未来。"他指的是市售的COVID-19疫苗，其配方中使用了纳米颗粒。"纳米医学肯定也是癌症疗法的未来"。这种新方法使用了一种由生物可降解聚合物制成的纳米粒子，这种聚合物是由达尔的研究小组之前开发的，同时还使用了她的实验室开发的两种针对癌症能量来源的药物。由于癌细胞的新陈代谢形式往往不同于健康细胞，因此抑制癌细胞的新陈代谢可以有效地杀死肿瘤，而不伤害其他组织。其中一种药物是经典化疗药物顺铂的改良版，它通过破坏快速生长细胞的DNA来杀死癌细胞，从而有效阻止其生长。但肿瘤细胞可以修复自己的DNA，有时会导致顺铂产生抗药性。达尔的研究小组对这种药物进行了改良，将其目标从核DNA（构成染色体和基因组的DNA）转移到线粒体DNA。线粒体是我们细胞的能量来源，包含自己小得多的基因组，而且对于癌症治疗来说，重要的是，线粒体不具备与我们的大基因组相同的DNA修复机制。由于癌细胞可以在不同的能量来源之间切换，以维持其生长和增殖，研究人员将他们的改良顺铂（他们称之为Platin-M，攻击称为氧化磷酸化的能量生成过程）与他们开发的另一种药物Mito-DCA 结合起来，后者专门针对一种称为激酶的线粒体蛋白，抑制糖酵解（一种不同的能量生成方式）。达尔说，开发能够进入大脑的纳米粒子是一条漫长的道路。她的整个独立职业生涯都在研究纳米粒子，在之前一个研究不同形式聚合物的项目中，研究人员注意到，在临床前研究中，一些纳米粒子的一小部分可以进入大脑。通过进一步研究这些聚合物，达尔的团队开发出了一种既能穿过血脑屏障又能穿过线粒体外膜的纳米粒子。达尔说："要弄清这一点，我们经历了很多波折，我们仍在努力了解这些微粒穿过血脑屏障的机制。"研究小组随后在临床前研究中测试了这种特制的载药纳米粒子，发现它们能缩小乳腺肿瘤和在大脑中播种形成肿瘤的乳腺癌细胞。在实验室研究中，这种纳米粒子-药物组合似乎也是无毒的，并能显著延长存活时间。下一步，研究小组希望在实验室中测试他们的方法，以更接近地复制人类脑转移灶，甚至可能使用源自患者的癌细胞。他们还想在胶质母细胞瘤（一种侵袭性特别强的脑癌）的实验室模型中测试这种药物。在达尔实验室工作的迈阿密大学博士生阿卡什-阿肖坎（Akash Ashokan）说："我对高分子化学非常感兴趣，将其用于医疗目的真的让我着迷，"阿卡什-阿肖坎是这项研究的共同第一作者，他与博士生舒丽塔-萨卡尔（Shrita Sarkar）共同完成了这项研究。"看到它被应用于癌症治疗，我感到非常高兴。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：