人工智能设计的合成骨骼有望变革未来的骨科手术

人工智能设计的合成骨骼有望变革未来的骨科手术在最近的一项研究中，研究人员利用机器学习、优化、3D打印和应力实验，开发出一种可复制人类骨骼功能的材料，用于骨科股骨修复，揭示了这种复杂关系的奥秘。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员展示了这种新型生物启发材料的三维打印树脂原型，图中的原型附着在人体股骨骨折的合成模型上。图片来源：FredZwicky股骨骨折修复的挑战股骨（上肢的长骨）骨折是一种常见的人体损伤，在老年人中十分普遍。断裂的边缘导致应力集中在裂缝尖端，增加了骨折延长的几率。修复股骨骨折的传统方法通常是通过外科手术，用螺钉将金属板固定在骨折处，这可能会导致松动、慢性疼痛和进一步损伤。研究生贾颖琦（左）和教授张雪莉利用机器学习和三维打印技术制造出一种新型生物启发材料，这种材料可能会改善骨折愈合的传统方法。图片来源：FredZwicky骨科修复的创新方法这项研究由伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校土木与环境工程系教授谢利-张（ShellyZhang）、研究生贾颖琦（音译）和北京大学教授刘克（音译）共同领导。他们的研究成果发表在《自然-通讯》（NatureCommunications）上，介绍了一种创新的骨科修复方法，该方法利用完全可控的计算框架来生产一种模仿骨骼的材料。"我们从材料数据库入手，使用虚拟生长刺激器和机器学习算法生成虚拟材料，然后学习其结构和物理性质之间的关系，"张说。"这项工作与以往研究的不同之处在于，我们更进一步，开发了一种计算优化算法，以最大限度地提高我们可以控制的结构和应力分布。"在实验室中，张的团队利用三维打印技术制造出了这种新型生物启发材料的全尺寸树脂原型，并将其附着在骨折人体股骨的合成模型上。尽管骨骼、鸟类羽毛和木材等天然材料的结构并不规则，但它们在物理应力分布方面具有智能。一项整合了机器学习、3D打印和应力实验的新研究让工程师们得以深入了解这些自然奇观，开发出一种可复制人类骨骼功能的材料，用于骨科股骨修复。张说："有了切实可行的模型，我们就可以进行真实世界的测量，测试其功效，并确认有可能以类似于构建生物系统的方式生长合成材料。我们设想这项工作将有助于制造出通过提供优化的支持和保护以抵御外力作用来刺激骨骼修复的材料。""这种技术可以应用于各种生物植入物，只要需要进行应力操作。"她说："方法本身非常通用，可以应用于不同类型的材料，如金属、聚合物--几乎任何类型的材料。关键在于几何形状、局部结构和相应的机械特性，这使得应用几乎无穷无尽。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1432305.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1432305.htm

科学家在培养皿中创造了一种“微型心脏”类器官

科学家在培养皿中创造了一种“微型心脏”类器官人类的心脏在受孕后大约三周开始形成，通常在这个时期许多女性还没有意识到自己怀孕了。这个因素导致我们对早期心脏形成的复杂细节的了解相对有限。从动物研究中获得的见解并不完全适用于人类，因此慕尼黑工业大学团队创建的类器官对科学界具有重要意义。心脏类器官（心外膜）发育的各个阶段。图片来源：AlessandraMoretti/TUM一个由35000个细胞组成的球该团队与心血管疾病再生医学教授山德拉·莫雷蒂合作，开发了一种利用多能干细胞制造“迷你心脏”的方法。大约35000个细胞在离心机中旋转成球体。在几周的时间内，根据固定的方案将不同的信号分子添加到细胞培养物中。“通过这种方式，我们模仿了体内控制心脏发育程序的信号通路，”亚历山德拉·莫雷蒂解释道。该小组现已在《自然生物技术》杂志上发表了其研究成果。首个“心外膜”所得的类器官直径约为半毫米。尽管它们不泵血，但它们可以受到电刺激并且能够像人类心室一样收缩。Moretti教授和她的团队是世界上第一批成功创建含有心肌细胞（心肌细胞）和心壁外层（心外膜）细胞的类器官的研究人员。在心脏类器官的年轻历史中（第一个心脏类器官于2021年描述），研究人员此前仅使用心肌细胞和来自心壁内层（心内膜）的细胞创建了类器官。“要了解心脏是如何形成的，心外膜细胞起着决定性的作用，”该研究的第一作者安娜·梅尔博士说。“心脏中的其他细胞类型，例如连接组织和血管中的细胞，都是由这些细胞形成的。心外膜在形成心室方面也起着非常重要的作用。”该团队将新的类器官恰当地命名为“心外膜类器官”。亚历山德拉·莫雷蒂教授。图片来源：DanielDelang/TUM发现新细胞类型除了生产类器官的方法外，该团队还报告了第一个新发现。通过对单个细胞的分析，他们确定了最近在小鼠中发现的一种前体细胞是在类器官发育的第七天左右形成的。心外膜是由这些细胞形成的。“我们假设这些细胞也存在于人体内——哪怕只存在几天，”莫雷蒂教授说。这些见解也可能为为什么胎儿心脏能够自我修复提供线索，而成年人的心脏几乎完全不具备这种能力。这些知识可以帮助找到治疗心脏病和其他疾病的新方法。生产“个性化类器官”研究小组还表明，类器官可用于研究个体患者的疾病。研究人员利用来自努南综合征患者的多能干细胞，在培养皿中制备了模拟该病症特征的类器官。在接下来的几个月中，该团队计划使用类似的个性化类器官来研究其他先天性心脏缺陷。由于有可能在类器官中模拟心脏病，未来可以直接在类器官上进行药物测试。“可以想象，此类测试可以减少药物开发时对动物实验的需求，”亚历山德拉·莫雷蒂说。类器官研究是慕尼黑工业大学的重点研究领域研究人员已经为心脏类器官的制造过程注册了一项国际专利。Epicardioid模型是慕尼黑工业大学的几个类器官项目之一。在类器官系统中心，来自不同部门和主席的工作组将进行合作。他们将利用最先进的成像和细胞分析对胰腺、大脑和心脏类器官进行跨学科研究，以研究器官、癌症和神经退行性疾病的形成，并利用人体3D系统实现医学进步。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1369307.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1369307.htm

"类器官智能" - 由人类脑细胞驱动的革命性生物计算机

"类器官智能"-由人类脑细胞驱动的革命性生物计算机人工智能（AI）长期以来一直受到人脑的启发。这种方法被证明是非常成功的。人工智能拥有令人印象深刻的成就--从诊断医疗状况到创作诗歌。尽管如此，原始模型仍然在许多方面优于机器。这就是为什么，例如，我们可以通过网上琐碎的图像测试"证明我们的人性"。如果我们不试图让人工智能更像大脑，而是直接从源头开始呢？跨越多个学科的科学家们正在努力创造革命性的生物计算机，其中脑细胞的三维培养物，称为脑器官，作为生物硬件。他们在《科学前沿》（FrontiersinScience）杂志上描述了他们实现这一愿景的路线图。实验室培养的大脑类器官的放大图像，带有不同类型细胞的荧光标记。(粉红色-神经元；红色-少突胶质细胞；绿色-星形胶质细胞；蓝色-所有细胞核）。资料来源：托马斯-哈通，约翰霍普金斯大学"我们把这个新的跨学科领域称为'类器官智能'（OI），"约翰霍普金斯大学的托马斯-哈同教授说。"一个由顶级科学家组成的团体已经聚集起来开发这项技术，我们相信它将开启一个快速、强大和高效的生物计算新时代。"什么是脑器官，为什么它们会成为强大的计算机？脑器官是一种实验室培养的细胞文化。尽管脑器官不是"迷你大脑"，但它们共享大脑功能和结构的关键方面，如神经元和其他脑细胞，它们对学习和记忆等认知功能至关重要。此外，大多数细胞培养物是平坦的，而类器官有一个三维结构。这使培养物的细胞密度增加了1000倍，意味着神经元可以形成更多的连接。但是，即使大脑器官是对大脑的良好模仿，为什么它们会成为好的计算机？毕竟，计算机不是比大脑更聪明和更快吗？类器官智能。生物计算的新领域信息图。资料来源：Frontiers/约翰霍普金斯大学哈同解释说："虽然硅基计算机在数字方面当然更好，但大脑在学习方面更好。例如，AlphaGo[在2017年击败世界头号围棋选手的人工智能]是根据16万场比赛的数据训练的。一个人必须每天下5个小时，超过175年才能经历这些游戏。"大脑不仅是卓越的学习者，它们也更节能。例如，训练AlphaGo所花费的能量比维持一个活跃的成年人十年所需的能量还要多。"大脑还具有惊人的存储信息的能力，估计有2500TB，我们正在达到硅计算机的物理极限，因为我们无法将更多的晶体管装入一个小小的芯片。但是大脑的接线方式完全不同。它有大约1000亿个神经元，通过超过1015个连接点连接。与我们目前的技术相比，这是一个巨大的功率差异。"类器官智能生物计算的新领域信息图类器官智能生物计算机会是什么样子？根据哈通的说法，目前的大脑有机体需要扩大规模以实现有机体智能。"他们太小了，每个都包含大约5万个细胞。他解释说："对于有机智能，我们需要将这个数字增加到1000万。同时，作者们还在开发与有机体沟通的技术：换句话说，向它们发送信息并读出它们的"想法"。作者计划从不同的科学学科中调整工具，如生物工程和机器学习，以及设计新的刺激和记录设备。类器官智能需要不同的技术来与大脑类器官沟通信息图。资料来源：Frontiers/约翰霍普金斯大学"我们开发了一种脑机接口设备，这是一种用于有机体的脑电图帽，我们在去年8月发表的一篇文章中介绍了它。它有着一个灵活的外壳，上面密布着微小的电极，既能接收来自类器官的信号，又能向它传输信号，"哈同说。作者设想，最终，OI将整合广泛的刺激和记录工具。这些将协调相互连接的类器官网络之间的互动，实现更复杂的计算。有机体智能可以帮助预防和治疗神经系统疾病有机体智能的前景超越了计算，进入了医学领域。由于诺贝尔奖获得者约翰-格登和山中伸弥开发的一项突破性技术，大脑有机体可以从成人组织中产生。这意味着科学家们可以从患有神经疾病（如阿尔茨海默病）的病人的皮肤样本中开发出个性化的脑器官。然后他们可以进行多种测试，研究遗传因素、药物和毒素如何影响这些病症。类器官智能将推动医学研究和创新信息图"通过有机体智能，我们也可以研究神经系统疾病的认知方面，"哈同说。"例如，我们可以比较来自健康人和阿尔茨海默氏症患者的器官中的记忆形成，并尝试修复相对的缺陷。我们还可以使用有机体来测试某些物质，如杀虫剂，是否会导致记忆或学习问题。"考虑到伦理因素创造能够学习、记忆和与环境互动的人脑器官，会引发复杂的伦理问题。例如，他们能否发展出意识，即使是最基本的形式？他们能不能体验到疼痛或痛苦？人们对由其细胞制成的脑器官有什么权利？"嵌入式伦理学"将确保负责任地开发类器官智能信息图。资料来源：Frontiers/约翰霍普金斯大学作者敏锐地意识到了这些问题："我们愿景的一个关键部分是以道德和社会责任的方式开发有机体智能，为此，我们从一开始就与伦理学家合作，建立一个'嵌入式伦理'方法。随着研究的发展，所有的伦理问题都将由科学家、伦理学家和公众组成的团队持续评估。"我们离第一个有机体智能还有多远？尽管有机体智能仍处于起步阶段，该文章的共同作者之一--皮质实验室的布雷特-卡根博士最近发表的一项研究提供了概念的证明。他的团队表明，一个正常的、扁平的脑细胞培养物可以学习玩视频游戏Pong。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1347995.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1347995.htm

纳米线心脏有机体新技术可为心脏病发作后的康复带来革命性变革

纳米线心脏有机体新技术可为心脏病发作后的康复带来革命性变革心脏病是美国人的主要死因，每36秒就有一个人死于心脏病。心脏病发作是心脏病的一种常见表现形式，当心脏供血受阻时，就会导致氧气和营养物质的缺失，造成不可逆转的组织损伤。虽然支架和药物能有效地重新打开阻塞的血管，但它们并不能修复心脏组织的损伤，从而使患者面临进一步并发症的风险。临床前研究表明，纳米线心脏器官组织有朝一日可以修复心脏，而不仅仅是防止进一步的损伤。南卡罗来纳医科大学（MUSC）和克莱姆森大学（CU）的生物工程师和临床科学家团队正在研究一种革命性的方法，它可以通过修复受损的心脏组织来改变心脏护理的格局。他们在8月份的《科学进展》（ScienceAdvances）杂志上报告了他们充满希望的临床前研究成果。该团队由梅颖博士领导，梅颖博士是中大和麻省大学生物工程项目的成员，在中大和麻省大学联合任职。该联合项目的博士生RyanBarrs是这篇文章的主要作者之一。"心脏病发作留下的损伤通常被认为是永久性的，需要进行心脏移植，而这种移植手术十分紧缺，"Barrs说。"为此，我们开发出了可导电的'迷你心脏'，可以注射到受伤的心肌中，恢复其泵血功能。"许多研究人员都试图破解如何帮助心脏自我修复的难题。补充死亡的心脏细胞并促进修复的一种有希望的策略是将干细胞分化成'促进修复'的心脏组织。然而，这种方法并不成功。要了解原因，请想象一下心脏病发作后心脏内的混乱环境--充斥着发炎的组织和无情的泵送，对新细胞毫不留情。梅说，加入单个干细胞就好比在暴风雨中种植一棵脆弱的树苗，生根发芽的机会微乎其微。"心脏经常会将干细胞挤压到血管中，造成潜在的副作用和效率低下，"梅解释道。"此外，单细胞在心脏中面临着恶劣的环境，尤其是在心脏病发作后，降低了它们的存活率和有效性"。梅和他的跨学科团队针对过去方法的弱点，提出了一种新策略。他们开发出了一种更有弹性的细胞结构，将干细胞衍生的心脏细胞包围起来，称为心脏器官组织。把它们想象成结构细胞的紧密团结，更有可能抵御心脏的挑战性环境。梅说："通过将这些细胞制成类似心脏的小型微组织，我们可以创造出一种更具可持续性和抵抗力的结构，能够抵御环境的突然变化。"为了评估有机体在临床前模型中治愈受损心脏的能力，梅与麻省医疗中心的细胞疗法和心脏病专家合作，其中包括王红军博士、KristineDeLeon-Pennell博士和DonaldMenick博士。在这项动物研究中，将这些心脏器官组织直接注入心脏后，模拟心脏病发作导致的功能丧失恢复了39%。这一发现表明，细胞装置不仅能防止进一步损伤，还有助于修复已经受损的组织。跨学科团队仍不满足，希望更进一步。梅说："我们意识到，还需要另一层工程来确保与宿主组织的适当整合。"因此，导电硅纳米线的想法应运而生。这些微小的生物相容性导线肉眼看不见，能增强器官组织，使其与原生心脏的电信号同步。这些电信号有助于聚集在一起的细胞协调运动，使它们能更有效地与现有心脏组织整合和泵血。结果是，心脏功能惊人地提高了69%。展望未来，纳米线人体心脏器官组织可能代表着心脏护理领域的一次飞跃，因为它们不仅能防止进一步的心脏损伤，还能积极修复已经造成的损伤。梅说："我们的研究首次在临床前模型中表明，纳米技术和类器官技术的结合有望修复心脏病发作后的组织损伤。"研究小组目前正集中精力加强和完善这项技术。Barrs说："我们计划更仔细地研究纳米线如何改善心脏类器官疗法。要使这种方法成为临床现实，还需要进一步的研究、测试和验证。如果研究继续显示出这种新方法的前景，梅希望它能在未来十年内进行临床试验。最终目标是提供一种比心脏移植更有效、更方便的疗法来治愈受伤的心脏。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1394931.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1394931.htm

复旦团队重大突破登 Cell：破纪录复活冰封 18 个月人脑组织

复旦团队重大突破登Cell：破纪录复活冰封18个月人脑组织就在最近，著名科学杂志NewScientist，还针对这项研究做了一篇冷冻人脑组织可以无损复苏专题报道。复旦大学团队利用人类胚胎干细胞，在三周时间内培育出了大脑类器官，这些自组织脑细胞的小簇，就可以发育成各种类型的脑细胞。然后，研究人员将这些类器官浸入不同的化合物中，包括糖和防冻液，这样就可以让它们在液氮中冷冻至少24小时。样本解冻后，他们在接下来的两周内，监测它们的生长和细胞死亡情况。尝试了各种不同化合物的组合之后，研究者发现了一种理想组合，可以让组织解冻后死亡的细胞最少、生长得更多。这种组合，就是由甲基纤维素、乙二醇、DMSO和Y27632组成的化学混合物，被研究者命名为「MEDY」。他们甚至创造了一项纪录——在解冻后，大脑类器官可以继续生长，存活长达150天！这种组合的有效性已经得到了证明：研究者从一名9个月大、患有癫痫的女孩身上取出了3立方毫米的脑组织，脑组织在解冻后至少两周内，仍然保持着活跃状态。关注频道@ZaiHuaPd频道投稿@ZaiHuabot

康奈尔大学的研究揭示了癌症更可能向脊椎扩散的原因

康奈尔大学的研究揭示了癌症更可能向脊椎扩散的原因在9月13日发表于《自然》（Nature）的这项研究中，研究人员发现脊椎骨来源于一种干细胞，这种干细胞不同于其他造骨干细胞。他们利用脊椎干细胞制成的类骨"有机体"，发现已知的肿瘤向脊椎扩散的趋势--比向腿骨等长骨扩散的趋势--在很大程度上是由于这些干细胞分泌的一种名为MFGE8的蛋白质。研究资深作者、威尔康奈尔医学中心病理学和实验室医学副教授、桑德拉和爱德华-迈耶癌症中心成员、纽约长老会/威尔康奈尔医学中心病理学家马修-格林布拉特博士说："我们怀疑，许多优先涉及脊柱的骨科疾病是由于椎骨干细胞的独特特性造成的。"近年来，格林布拉特博士和其他科学家发现，不同类型的骨骼来源于不同类型的骨干细胞。由于脊椎骨与其他骨骼（如手臂和腿骨）相比，在生命早期沿着不同的路径发育，而且似乎有着独特的进化轨迹，格林布拉特博士和他的团队假设可能存在一种独特的脊椎干细胞。研究人员首先根据已知的骨骼干细胞表面蛋白标记，从实验室小鼠的不同骨骼中分离出广为人知的骨骼干细胞，这些细胞可产生所有骨骼和软骨。然后，他们分析了这些细胞的基因活动，看看是否能找到与脊椎骨相关的细胞的独特模式。将形成脊柱的新干细胞移植到模型生物体中，让其形成微型椎骨（红色）。乳腺癌肿瘤细胞（绿色）侵入骨骼，表明这种新脊椎干细胞负责招募乳腺癌细胞。资料来源：孙俊这项工作取得了两项重要发现。首先是基于表面标记的骨骼干细胞整体新定义更加准确。这一新定义排除了旧干细胞定义中包含的一组非干细胞细胞，从而使该领域之前的一些研究变得模糊不清。第二个发现是，来自不同骨骼的骨骼干细胞在基因活性方面确实存在系统性差异。通过这一分析，研究小组确定了脊椎干细胞的一组独特标记，并在小鼠和实验盘细胞培养系统的进一步实验中证实了这些细胞在形成脊柱骨方面的功能作用。研究人员接下来研究了脊柱与其他类型骨骼相比对肿瘤转移（包括乳腺癌、前列腺癌和肺癌转移）具有相对吸引力的现象。20世纪40年代的传统理论认为，这种"脊柱趋向性"与血流模式有关，相对于长骨，脊柱更容易转移肿瘤。但是，当研究人员在动物模型中再现脊柱趋向现象时，他们发现有证据表明血流并不是原因--事实上，他们发现了一条线索，指向脊椎干细胞可能是罪魁祸首。研究第一作者、格林布拉特实验室博士后研究员孙军博士说："我们观察到，转移性肿瘤细胞最初播种的部位主要在骨髓区域，而脊椎干细胞及其后代细胞就位于该区域。"研究小组随后发现，移除脊椎干细胞可消除脊柱骨和长骨之间转移率的差异。最终，他们确定，脊椎干细胞比长骨干细胞分泌更多的蛋白质MFGE8是脊柱趋向性的主要因素。为了证实这些发现与人类的相关性，研究小组与特别外科医院（HospitalforSpecialSurgery）的研究人员合作，确定了小鼠脊椎干细胞的人类对应物，并描述了它们的特性。研究人员目前正在探索阻断MFGE8的方法，以降低癌症患者脊柱转移的风险。格林布拉特博士说，更广泛地说，他们正在研究脊椎干细胞的独特特性如何导致脊椎疾病。格林布拉特博士说："骨科中有一门分支学科叫脊柱骨科，我们认为该临床类别中的大多数病症都与我们刚刚确定的这种干细胞有关。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1383907.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1383907.htm