研究人员开发出新方法来生物3D打印功能性类器官
时间：2020-10-02 08:04 来源：中国3D打印网 作者：中国3D打印网 阅读：次
在2020年9月发表在《自然材料》杂志上的一项研究中，研究人员报告了定制的挤出模式生物打印装置的设计，该装置由显微镜和可通过与注射泵相连的细喷嘴抽吸和沉积细胞的装置组成。 该方法称为生物印刷辅助组织（BATE），使用形成类器官的干细胞作为构建基块，可以将其直接沉积到有助于自发自组织的细胞外基质中。通过移动显微镜载物台并通过显微镜透镜对过程进行持续监控，研究人员能够将长约几厘米的肠道干细胞系沉积到凝胶中。
迄今为止，研究人员已经能够设计出类似于大脑，胃，肾脏，肺和肝脏的类器官，从而促进了新治疗策略的开发以及个性化医学的发展。但是，EPFL报告说，传统的生长类器官的方法导致干细胞组装成微米至毫米大小的空心球。此外，根据EPFL生物工程研究所教授，该研究的主要作者MatthiasLütolf所说，这种方法是“非生理性的”，因为许多器官（例如肠或气道）都是管状的，并且更大。为了开发与正常人类器官，Lütolf和他的团队转向了生物3D打印。
尽管科学家已经生产了数十年的实验室类器官，但生物技术领域的进步（例如组织工程，生物材料和生物制造）加速了类器官的研究，从而促进了复杂生物系统的发展。“生物打印非常引人注目，因为它使您可以将细胞沉积在3D空间中的任何地方，因此您可以考虑将细胞排列成类似器官的结构，例如管子，使用传统的类器官生长方法，您可以生长胃类器官或肠类器官-而通过生物打印，您可以组合不同的细胞类型并以不同的方式排列它们。此外，使新开发的方法与其他方法生长类器官的不同之处在于，它结合了3D打印的灵活性和精度以及干细胞自身生长和组织的能力。”
BATE生物打印方法使用自发自组织的构建块来创建大规模组织。图片由EPFL提供。
研究人员还发现，依靠基于显微镜的生物打印降低了对水凝胶流变学和生物墨水配方的深入专业知识的需求，因为它通过提供直接的用户反馈来实时可视化地控制和调节打印过程，从而促进了打印输出的优化。 BATE的多功能性还体现在其在空间和时间上控制支持性细胞的顺序沉积的能力上，因为将生物打印机集成到自动显微镜中可以实时跟踪组织出现，如果需要，可以返回到科学家们描述了精确定位其他细胞类型的特定位置。“在其他生物打印方法中，您看不到发生了什么。使用显微镜的妙处在于，您始终可以看到自己在做什么，并且可以看到细胞在做什么。”
该研究表明，一旦干细胞被播种，细胞就开始生长并彼此相互作用，形成一个连续的管状组织，该组织模仿了常规肠道的许多解剖学和功能特征。用原代小鼠结肠和胃干细胞以及人结肠干细胞获得了相似的结果，表明BATE可能广泛适用于上皮干细胞衍生的类器官。
BATE应用于肠组织工程。直接在允许多细胞自组织的环境中直接实现对细胞密度和组织几何形状的鲁棒控制。图片由EPFL提供。
实验室长出的肠子，大小可达三厘米，由带有干细胞的隐窝形口袋组成，它们含有与全肠相同的专门吸收和分泌细胞。迷你肠的分泌细胞还能够响应特定刺激而分泌抗微生物分子。据中国3D打印网了解，使用传统的类器官生长方法，研究人员可以生长胃类器官或肠类器官，而通过生物打印，他们能够组合不同的细胞类型并以不同的方式排列它们。尤其是，BATE可以顺序打印多种像元类型，以形成具有良好空间分辨率的复杂几何形状和像元类型排列。
在这项研究中，研究人员能够展示出类器官融合的概念如何可以使用相同的构件来产生相对较大的组织，以及如何通过使用来自相关器官的构件来模拟组织边界。此外，作者认为，与其他现有的生物打印技术相比，他们最初的细胞打印方法可以在不同规模上指导组织形态发生，具有许多优势。
要安装在显微镜上的喷嘴图片。图片由EPFL提供。
研究结果表明，BATE使易碎细胞（例如原代干细胞）直接在最有效的3D培养基质（例如研究中使用的基质）中组织成复杂的几何形状。由于最终构建体的微观结构是由细胞在随后的重塑和自组织过程中产生的，因此它也减少了印刷时间和几何复杂度。尽管这项研究为工程化自组织组织和模仿器官边界提供了新工具，但吕托夫认为，将其用于再生医学（包括替代人体组织和器官）的应用还有很长的路要走。但他指出，新开发的方法可用于建立人类疾病（包括癌症）的组织模型，并用于测试候选药物对组织中特定细胞类型的作用。
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