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它可能标志着在实验室里制作微型心脏、肾脏和大脑的技术转变。

左边模拟了不同干细胞群之间的相互作用,右图则是干细胞在机器学习程序所规定的条件下生长,形成一个预期中的菌落。(点击图片可查看动图)

图:ASHLEY LIBBY, DAVID JOY AND IMAN HAGHIGHI, GLADSTONE INSTITUTES

科学家克服了制造微型器官的一个主要障碍,现在可以利用编程,使细胞呈现出我们所需的形状,而不再是依靠3D打印或外部框架。

该研究已发表于《细胞系统》杂志,它可能标志着在实验室里制作微型心脏、肾脏和大脑的技术转变。或许有一天还能应用于个性化的器官移植。

美国格莱斯顿研究所的生物工程师Todd McDevitt等人的初衷是研究目前制造微型器官的方法里所包含的一个老问题:细胞老是待不住,总乱跑。

科学家提取人的皮肤细胞,并用合适的药物将其组合起来,然后转化为诱导性多功能干细胞(iPSCs),就可以制造出一个微型器官或类器官。iPSCs就是生物学的一张空白支票,它几乎可以成为任何一种细胞类型。

比如说把它培育成一个迷你肾脏,那研究人员就可以坐在实验室里,在这个迷你肾脏上复现肾脏疾病、测试治疗方法。

肾脏模型的可信度取决于细胞的物理组织,因此,为了模拟真正的肾,经常需要用到3D打印。

但细胞就像叛逆的青少年,有自己的想法,常常会偏离研究人员印刷时设定的位置。

于是,McDevitt的团队控制两个基因,将它们组成操纵杆,用来指导细胞如何组织成形。

CDH1和ROCK1在细胞的最终构型移动中起着重要作用。它们会影响细胞间的粘性和排斥力,而这正是会影响到令细胞呈现球形的表面张力以及细胞的移动速度快慢的两个因素。

研究人员使用基因编辑工具,在细胞团进化的不同阶段敲除了CDH1和ROCK1,他们的目标是使其分化出牛眼一样的细胞,这是一种在人类发育过程中常见的形状,包括在早期胚胎的形成过程中。

为了监测该模式,他们设计了另一种方法:当CDH1和ROCK1被中和时,让细胞发出荧光。

但这有个问题。

考虑到所有基因可能被敲除的潜在时间点、被靶向的细胞比例以及很多其它的变量,研究人员计算出他们需要做将近9000个实验。

于是他们找了人工智能帮忙。他们训练了一个机器学习模型来计算出哪一种基因敲除的组合可以实现“牛眼化”。

研究人员之一、来自波士顿大学生物信息学项目的Demarcus Briers表示:“机器学习可以根据观看历史来预测你可能喜欢的电影,同时它也可以通过模仿生物系统来生成实验方案。”

“这个机器学习模型能帮助我们预测干细胞自我组织的方式,并在我们重现实验的过程中提供指导。”

“我们已经展示出了如何利用干细胞的内在能力进行组织,”McDevitt说道,“这是一种全新的方法,不像打印直接把细胞强制地塞到特定的框架结构中。”

于是,人们不再是只能做出特定的一种器官,应用的方向将更加广泛,甚至有可能改变生命的历程。

“我们正走向真正的多细胞组织工程,这是器官工程的先驱,”McDevitt说,“当我们能在实验室里制造出类人体器官时,就可以用它们来研究生物学和疾病了。否则,我们永远无法真正地复现人体可能的变化。”


蝌蚪五线谱编译自cosmosmagazine,译者狗格格,转载须授权



梅森: 比起任何特殊的科学理论来,对人类的价值观影响更大的恐怕还是科学的方法。  
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共 0 个关于人工智能帮细胞进行自我组装,制作微型器官的回复 最后回复于2019-11-27 10:03:02

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