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2020-04-10細胞、蛋白質由你排列模擬活體環境新技術
460 期
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【本刊訊】在活體外研究細胞，常苦於難以呈現真實活體中細胞間或細胞與周圍環境間一系列複雜的分子訊息，在立體空間中傳遞的情形。加州大學柏克萊分校（University of California, Berkeley）的研究團隊，將光刻技術（photolithograph）應用在建構細胞與蛋白質陣列上，來模擬活體內的真實空間結構。
身體內的細胞，就像人是整個大社會的一份子，或多或少都會受到周圍的環境、其他人所影響。大腦中的神經幹細胞是要維持幹細胞的狀態，或是分化成腦神經細胞，取決於在它附近的「鄰居」細胞和環境給予它什麼樣的分子訊息。要了解這些訊息，才能真正了解腦神經幹細胞的調控機制，才能進而將這些幹細胞應用在治療神經系統疾病，如阿茲海默症或帕金森氏症。
用短鏈DNA讓細胞蛋白質乖乖排列
加州大學柏克萊分校研究團隊近來在《科學進展》（Science Advances）期刊上發表了一篇新研究，試圖以新的技術解決這個難題。他們將光刻技術做新的應用，讓細胞和蛋白質能夠以類似「印刷」的方式，排列成研究人員所想要呈現的二維陣列，進而模擬像是神經幹細胞周圍的腦組織、腸或肝的內壁或腫瘤內部的細胞結構等活體組織。
他們所使用的方法，是讓每個細胞或蛋白質接上一串設計過的單股DNA短鏈，並在陣列表面連接上與之互補的單股DNA，互補的兩股DNA結合形成雙股螺旋，同時也會把它串接的細胞或蛋白質固定在陣列上。
細胞與蛋白質要形成研究人員想要的「隊形」，就得靠傳統的光刻技術來協助。這些即將形成陣列的表面都事先塗上了特殊塗層，在受到光照時會起化學反應溶解，溶解之處就可以連結上單股DNA短鏈。 應用這個技術，就可以讓陣列的排列方式有很大的彈性空間，能夠依照需求去調整。
為了呈現這個技術可以達到的高解析度，研究團隊示範用事先接上螢光分子的神經幹細胞，排列出加州大學的校徽。
用神經幹細胞進行測試
此外，為了測試這個技術實際應用在生物學研究的可能性，研究團隊也試著用這個技術研究前面所提到的神經幹細胞，以及左右它維持現狀或分化成腦神經細胞的重要因子——促進神經幹細胞增殖的「纖維母細胞成長因子（fibroblast growth factor-2, FGF-2）」和促進分化的「ephrin-B2」這兩種蛋白質來做實驗。
研究團隊嘗試以三種不同的空間排列方式，來觀察FGF-2和ephrin-B2的位置，對於神經幹細胞的影響。三種排列方式中神經幹細胞放置在陣列中央，兩種蛋白質分別以（1）FGF-2在中央以圓圈包圍幹細胞，ephrin-B2以方形包圍在 FGF-2外圍，（2）與前者相似但改為ephrin-B2在中央、FGF-2在外，以及（3）FGF-2和ephrin-B2分上下兩區塊包圍幹細胞。
團隊首先觀察到，細胞偏好於往FGF-2所在的區域移動。而這樣的分布狀況是否會影響幹細胞增殖或分化的命運選擇呢？研究結果發現，神經幹細胞大多分化為成熟的腦神經細胞，即便是受到「維持幹細胞」因子的FGF-2包圍的神經幹細胞也是一樣。進一步觀察第三種排列方式下，被FGF-2和ephrin-B2分上下兩區塊包圍的幹細胞，雖往FGF-2區塊移動且分化為神經細胞，但這些神經細胞長出了細長的神經突（neurite）往ephrin-B2所在的區域延伸。
這樣的實驗結果讓團隊相當意外，也期許後續更進一步的研究，能更瞭解這些因子對於神經幹細胞的影響方式。
第一作者賽德勒（Olivia Scheideler）和通訊作者宋恩（Lydia Sohn）在接受SciTechDaily訪問時提到，這個平台最強大的功能，是可以在活體外建造、模擬活體組織的空間結構，可靈活應用的特性也給予研究人員很多的發揮空間。
除此之外，也可以多次針對不同排列組合、不同因子或不同條件進行多次獨立測試，對於生物學研究或是人體疾病研究等複雜問題提供新的技術支援。
新聞來源
Olivia J. Scheideler et al., Recapitulating complex biological signaling environments using a multiplexed, DNA-patterning approach, Science Advances, 2020.