细胞是如何进化成器官的？

Uncovering how cells become organs

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仔细看下图，这是一个人造的部分机能有各种电子或电机装置代替的半机械人类心脏类器官。一些微型的传感器被植入到可伸展、并且又一体化整合的网格纳米材料中，然后随着组织器官发育而成长。

是不是很神奇？

Contraction of cyborg human cardiac organoid.

细胞是如何进化成器官的？

Tiny sensors are embedded into stretchable, integrated mesh that grows with the developing tissue

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生命的起源，是从单细胞到多细胞体，然后多细胞体组成器官，不同功能的器官组合成系统的生命。

在这个生命的自然演化进程中，一部分基因组成几乎相同的细胞组合是如何演变成功能不同的器官，如心脏、大脑和肾脏的？

这在进化生物学研究过程中，长久以来是一个至为关键的问题。部分原因是由于研究技术和观测技术，研究人员无法在不破坏器官细胞的前提下，从容观察到多细胞如何演化成器官。具体从技术上来说，以前也没有一种足够小而灵活的传感器能够植入多细胞群，并且随着进化过程而成长，然后把相关信息传输出来，让生物学家可以进行分析研究。

现在，来自哈佛大学工程和应用学院的研究人员，（searchers from the Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS)），已经培育出来一种带有完全一体化的传感器系统的类人类器官活体。这种部分技能半机械器官活体（cyborg organoids）的培育成功，给研究人员一个全新研究器官发育初期阶段的机会。

这项研究发表在最近一期的纳米快报上。（ Nano Letters）

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这项研究的一位助理教授刘佳，（Jia Liu, assistant professor of bioengineering at SEAS and senior author of the study）在高中阶段就对于器官的自然发育过程着迷，关注与如何从2D结构的几个细胞如何发育成3D结构的器官。

她认为，如果能够开发出一种灵活的、可延伸的、柔软的电子纳米传感材料，让这种带有传感器的纳米电子材料随细胞的发育过程一起成长。那么，植入的传感器可以让研究人员观察和研究整个发育过程的活动。最终的结果，是带有纳米电子传感材料的装置，完整一体化地分布在成长发育后器官的整个部分。

这种小型纳米电子传感器的研究，始于刘佳开始在贝斯佛里德曼大学利伯实验室做研究生的时候。（lab of Charles M. Lieber, the Joshua and Beth Friedman University Professor）在利伯实验室，刘佳一次偶然开发出一种灵活的、网格状的纳米电子装置，可以通过注射植入器官组织的部分区域。

基于这种设想，刘佳和她的团队通过把纳米电子材料从直线状结构改变成蜿蜒曲折的蛇形结构，类似那些可穿戴的电子产品，增加了纳米电子材料的可延伸能力。

然后，把这种网状纳米材料植入2D结构的干细胞结构中，细胞通过细胞的分裂伸缩覆盖住并且交织成为一体结构。当这些干细胞变形发育为3D结构的器官时，纳米电子材料的传感器就无缝衔接地随器官发育重新构化自己，最后演变成植入传感器的3D类器官活体。

随着干细胞分裂演化成心肌细胞、心脏细胞的过程（cardiomyocytes — heart cells ），研究人员就可以90天的时间里监测和记录器官的电子生理活动。（electrophysiological activity）

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类器官进化过程

如上图所示，带有纳米电子传感器的类活体器官的生成过程如下：可伸缩的网格状纳米电子材料的传感器被植入器官干细胞群中，第二步，干细胞凝聚覆盖住网格状纳米电子材料；第三步，通过器官形成发育出3D器官自我结构；第四步，一致3D分布的网格状纳米电子材料；第五步，完全分化发育的半机械类器官活体，带有电子传感器的活体器官。

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这种工程研究方法，可以让研究人员能够持续监督干细胞发育成器官的过程，并且了解单个细胞如何与系统和其他细胞交互作用，最后同步进化成整个活体器官。

这种研究方法，可以适用于把任何器官组织转化成可以监测发育过程的半机械类器官，包括极为复杂的大脑和胰腺类器官。

另外，为了帮助回答生物学的基本问题，半机械类器官（ cyborg organoids ）可以用来检测和监测特殊病人药物治疗方案，或者是器官移植治疗方案。（patient-specific drug treatments and potentially for transplantations）

This research was co-authored by Qiang Li, Kewang Nan, Paul Le Floch, Zuwan Lin, Hao Sheng, and Thomas S. Blum. It was supported by the Harvard Dean’s Fund for Promising Scholarship.