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作者：Ashley
導讀：世界各地都有不同種蜥蜴的存在，但你知道蜥蜴為改造人工肺提供了驚人的方法嗎？近期在《Science Advances》雜誌上，題為“Stress ball morphogenesis: How the lizard builds its lung”的文章表明首次對爬行動物肺的發展進行研究。這些不起眼的蜥蜴啟發了一種新型的人工肺和一個框架，工程師們可以對其進行改進，以實現不可知的未來。
普林斯頓大學的一項新研究表明，沙氏變色蜥是如何以極其簡單的方式解決自然界最複雜的問題之一：呼吸。人類的肺經過數月或數年的發育，形成了巴洛克的樹狀結構，而變色蜥的肺則在幾天內發育成粗糙的肺葉，上面覆蓋著球狀突起。這些葫蘆狀的結構，雖然遠沒有那麼精緻，但可以讓蜥蜴像人類的肺一樣用氧氣交換廢氣。由於變色蜥的肺能透過簡單的機械過程快速生長，它們為設計先進生物技術的工程師提供了新的靈感。
Wilke Family生物工程教授、這項研究的首席研究員Celeste Nelson說：“我們的研究小組對肺工程用途的發展非常感興趣，如果我們瞭解肺是如何自我構建的，那麼也許我們可以利用大自然母親使用的機制來再生或改造組織。”
鳥類和哺乳動物的肺透過無盡的分支和複雜的生化訊號發展出巨大的複雜性，而沙氏變色蜥的肺則透過一個機械過程形成相對適度的複雜性，作者將其比作一個網狀壓力球，是書桌抽屜和DIY影片中常見的玩具。這項研究發表在12月22日的《Science Advances》雜誌上，題為“Stress ball morphogenesis: How the lizard builds its lung”，是首次對爬行動物肺的發展進行研究。
蜥蜴的肺為人工肺提供新方法！
變色蜥的肺在幾天後開始發育，形成一箇中空的、細長的膜，被一層均勻的平滑肌所包圍。在發育過程中，肺細胞分泌液體，在此過程中，肺內膜慢慢膨脹並變薄，就像氣球一樣。壓力推動平滑肌，使其收緊並散開成纖維束，最終形成蜂窩狀的網狀結構。液體的壓力繼續將有彈性的肺膜向外推，透過肌肉網的縫隙膨脹，形成覆蓋肺部的充滿液體的球莖。這些凸起在氣體交換髮生的地方創造了大量的表面積。整個過程不到兩天，在孵化的第一週內完成。蜥蜴孵化後，空氣從肺的頂部進入，繞著腔洞旋轉，然後再流出來。
對於工程師們來說，為了人類的健康，從大自然中尋找捷徑，這種速度和簡單性成為了一種全新的設計正規化。這項研究也為科學家更詳細地研究爬行動物的發展開闢了新領域。
Nelson稱，當她在2000年代末首次開始研究雞肺時，傳統觀點認為“雞肺和老鼠肺一樣，也和人類肺一樣。”但事實並非如此。
為了打破這些假設，她帶領她的團隊提出了一些基本的問題，比如不同種類的脊椎動物的肺是如何形成的。Nelson說：“鳥類的肺結構與哺乳動物的肺結構非常不同。”例如，鳥類的身體中嵌入了氣囊，而不是隔膜，充當風箱的作用。
Nelson認為，為了適應鳥類肺部的複雜結構，使之成為有益於人類健康的工具，科學還需要進一步深入研究。大自然用兩種截然不同的系統解決了氣體交換問題。它們是如何聯絡在一起的?難道就沒有其他的系統嗎?這使得她的團隊回到進化時期，尋找共同的起源。那隻爬行動物就坐在那裡，做著爬行動物常做的事:躲在眾目睽睽之下。
當Michael Palmer以研究生的身份加入實驗室時，他接受了挑戰，從零開始組織這項研究。短吻鱷的脾氣太壞了；綠安樂蜥拒絕繁殖。經過多年的前期工作，Palmer於2019年底前往佛羅里達州捕捉野生沙氏變色蜥。他和他的同事在郊區公園的泥地裡漫步，掀翻了樹林邊緣的岩石和樹葉。他們用牙線製成的陷阱捕獲了大約12只，並將它們每隻放入自己的微型動物飼養箱裡。然後他們把這些動物從北佛羅里達趕回普林斯頓，普林斯頓大學的獸醫和動物資源人員幫助這個團隊建立了一個永久性的變色蜥設施。
Palmer就在那時開始觀察這些卵子，以繪製微生物肺部發育的圖。與機械和航空航天工程的助理教授Andrej Košmrlj和研究生Anvitha Sudhakar合作，Palmer利用他的觀察建立了一個肺的計算模型，並瞭解了它的物理特性。
Palmer說:“我們很好奇，透過研究這樣一個簡單的肺，我們是否能瞭解到任何關於肺發育的基礎知識。”Palmer今年早些時候獲得了化學和生物工程博士學位。他已經看到了平滑肌在其他系統中扮演雕刻角色的證據，但在這項研究中，他能夠直接觀察到這是如何工作的。
Palmer說:“蜥蜴的肺是透過一種非常物理的機制發展起來的。壓力誘發的張力和壓力誘發的屈曲。”在不到兩天的時間裡，這個器官從扁平的球囊變成完全成形的肺。這個過程非常簡單，Palmer可以用他的計算模型在實驗室裡建造一個可以工作的複製品。雖然工程系統的複雜性比不上生命系統，但已經接近了。
研究人員用一種叫做Ecoflex的矽酮材料澆鑄薄膜，這種材料通常用於電影行業的化妝和特效。然後，他們用3D列印的肌肉細胞將矽膠包裹起來，在充氣矽膠中製造出與Palmer在活體器官中發現的一樣的波紋。他們遇到了技術障礙，限制了他們的作品的逼真程度，但最終它與活體器官驚人地相似。
這些不起眼的後院蜥蜴啟發了一種新型的人工肺和一個框架，工程師們可以對其進行改進，以實現不可知的未來。
Nelson說:“不同的生物有不同的器官結構，這很漂亮，我們可以從中學到很多東西。如果我們意識到有很多我們看不到的生物多樣性，並試圖利用它，那麼我們作為工程師將有更多的工具來解決社會面臨的一些主要挑戰。”
參考資料：
https://phys.org/news/2021-12-humble-lizards-approach-artificial-lungs.html
注：本文旨在介紹醫學研究進展，不能作為治療方案參考。如需獲得健康指導，請至正規醫院就診。
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