组织工程师正在探索从细胞中培养活体器官和组织的方法，目的是替换体内病变和受损的器官。科学家们已经成功培育了人造肌肉、肝脏、肾脏、皮肤等组织。然而，精确构建血管网络的可靠方法仍然缺失。现在，MIT工程师发现，通过机械拉伸，可以控制血管的生长。他们构建了一个“血管芯片”，其中包含由人类内皮细胞构成的中央动脉，嵌入在含有小磁铁的凝胶中。研究团队通过外部磁铁来推动嵌入凝胶中的磁铁，从而观察动脉的反应。研究发现，简单的机械作用可以刺激动脉生长出更小的毛细血管。通过改变动脉的拉伸方向，研究人员能够重新引导新生血管的生长。此外，动脉的拉伸程度也会影响新血管的生成数量。研究结果发表在《美国国家科学院院刊》上，提供了一种新的方法来工程化人造血管并编程其生长模式。
“健康的组织依赖于有序的血管网络，但现有的技术无法在工程化组织内构建这样的网络，” MIT机械工程副教授Ritu Raman说，“通过物理信号编程血管生长的能力可能使工程化组织的可重复和可扩展的制造成为可能，进而恢复因疾病或损伤而丧失的功能。”
血管的生长和控制在传统制造技术中颇具挑战。虽然3D打印可以制造大动脉和静脉，但无法精确打印复杂的毛细血管网络。科学家们曾尝试通过在培养皿中培养单个细胞来生长血管，但控制其生长位置仍然是一个难题。Raman及其团队以先前开发的人工肌肉和神经的协议为基础，探索血管的生长和控制。
在新的实验中，研究团队构建了一个小于邮票的“血管芯片”，填充营养丰富的凝胶并嵌入小磁铁。通过在凝胶中创造一个空心通道，涂覆活的内皮细胞，细胞开始按照通道的形状生长并长出新的毛细血管。研究人员在电动平台下移动小磁铁，观察血管如何响应。结果表明，动脉的拉伸和挤压会显著增加新毛细血管的生成。
研究进一步探讨了为何血管会对机械力产生反应，重点关注基因编辑和特定基因Piezo1的作用。Piezo1基因与血管生长和机械刺激之间存在关联。通过抑制Piezo1基因，研究发现血管生成显著减少。这一发现为未来培育有序血管网络以供人工器官和组织的开发奠定了基础。
“我们正在研究如何精确地模式化血管生长，以改善肌肉功能，”共同作者Jessica Shah表示。该研究得到了美国陆军研究办公室早期职业计划和PECASE资助的支持。
博主点评： 这项研究展示了机械力在生物工程中的重要性，尤其是在血管生成方面。通过精确控制血管生长，未来有望在组织工程和再生医学中实现更大的突破，提升人造器官的功能性与适应性。