Nature Materials | 新型類器官打印技術(shù)實現(xiàn)大尺寸組織構(gòu)建

來源：上普生物

瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院Matthias P. Lutolf課題組近期在Nature Materials發(fā)表“Recapitulating macro-scale tissue self-organization through organoidbioprinting”（該組剛發(fā)了一篇腸道類器官構(gòu)建的Nature）。介紹了一種新型類器官打印技術(shù)方法，該方法結(jié)合了類器官制造技術(shù)和生物3D打印技術(shù)的優(yōu)勢，并成功構(gòu)建了高度仿生的厘米尺度的組織，包括管狀結(jié)構(gòu)，分支血管和管狀小腸上皮體內(nèi)樣隱窩和絨毛域等，為藥物發(fā)現(xiàn)和再生醫(yī)學研究提供了新的技術(shù)手段。

類器官和生物3D打印
類器官構(gòu)建技術(shù)的優(yōu)勢和局限（organoid）：在體內(nèi)，組織形成嚴重依賴于嚴格調(diào)節(jié)的形態(tài)發(fā)生程序，允許細胞群在局部相互作用并自我組織。這些局部之間的迭代交互發(fā)育中的組織單位指導細胞分化和模式形成的連續(xù)周期，從而建立了大規(guī)模生物學上的復雜性。由于其獨特的自組織潛力，干細胞衍生的類器官是有希望構(gòu)建出工程方法無法比擬的組織結(jié)構(gòu)和細胞類型組成的局部特征。但是，由于類器官難以生長到毫米級以上，因此它們?nèi)狈�體內(nèi)器官的大尺寸結(jié)構(gòu)特征，難以實現(xiàn)更高級別的器官功能響應，限制了類器官技術(shù)在體外仿生模型和再生醫(yī)學領(lǐng)域的發(fā)展。

生物3D打印技術(shù)的優(yōu)勢和局限（bioprinting）：生物3D打印技術(shù)可以實現(xiàn)細胞和生物材料的精準空間排列，易于快速構(gòu)建大尺寸（厘米級）含細胞外基質(zhì)的仿生組織結(jié)構(gòu)。雖然現(xiàn)在有了越來越多種的細胞打印技術(shù)，但其一直存在兩個限制，1）超高濃度細胞三維打印，2）工程排列的細胞缺乏細胞分化和自組織的特征等。

生物3D打印技術(shù)是先進制造技術(shù)的一種，并不是和類器官構(gòu)建相排斥的技術(shù)，因此，將類器官制造技術(shù)和生物3D打印技術(shù)的優(yōu)勢相結(jié)合，有望構(gòu)建出厘米級在高度仿生的微組織。

BATE打印技術(shù)
研究者創(chuàng)新性的提出了BATE打印技術(shù)（termed bioprinting-assisted tissue emergence)，使用干細胞和類器官作為自發(fā)的自組織構(gòu)建單元，這些構(gòu)建單元可以在空間上排列以形成相互連接且不斷進化的細胞結(jié)構(gòu)。

令人嘆服的是研究者逆天的動手能力：將一個微擠出系統(tǒng)和顯微鏡（自帶三維運動臺）相結(jié)合，構(gòu)建了一個自帶顯微圖像實時觀察的打印系統(tǒng)，并腦洞打開的提出了未來可基于自動顯微鏡實現(xiàn)時空結(jié)合的生物3D打印，即打印第一種組織，并培養(yǎng)發(fā)育出一定的功能和形態(tài)后，再基于顯微成像，放回打印機在第一種組織周邊打印第二種組織，在空間和時間上都精準控制組織的發(fā)育。

圖1. 顯微鏡生物3D打印機

含有超高密度細胞的高活性生物墨水
研究者采用了類器官構(gòu)建技術(shù)常用且生物活性非常好的膠原和Matrigel作為墨水材料，這些材料來源于天然組織，生物活性好，強度低，不會阻礙干細胞后續(xù)的自組織發(fā)育。通過優(yōu)化墨水參數(shù)和打印參數(shù)，BATE技術(shù)可實現(xiàn)超高細胞密度墨水的打印(每毫升10^8 個細胞)，并保持良好的細胞活性。
BATE方法在人類組織原代細胞大規(guī)模類器官或自組織構(gòu)建方面具有廣泛適用性，研究人員打印了三種具有已知自組織（或自組裝）潛能的細胞類型（hISC，hMSC和HUVEC），并通過培養(yǎng)控制細胞自組織的特定局部相互作用可以形成特定結(jié)構(gòu)的上皮管、結(jié)締組織和血管網(wǎng)絡，符合這些細胞原本的組織特征。

圖2. 不同細胞的打印和自組織發(fā)展

類腸道組織的構(gòu)建
在宏觀尺度上重建復雜的圖案化組織，這需要對幾何學，細胞間相互作用，ECM組成和動力學以及關(guān)鍵可溶性因子的存在進行精確控制（圖3a）。小鼠腸道干細胞（mISC）在Matrigel中培養(yǎng)并添加確定的生長因子混合物（EGF，Noggin和R-spondin（ENR））時，會形成帶有隱窩和類絨毛狀隔室的類器官，類似于該動物的體內(nèi)小腸上皮。研究者基于此，3D打印了mISC的密集線，并用以模擬宏觀的腸道，通過后續(xù)的培養(yǎng)和細胞的自組織發(fā)育，該打印的結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出高度仿生的腸道組織特征。這些數(shù)據(jù)表明，BATE可以在厘米尺度上可靠地復制復雜的組織結(jié)構(gòu)和圖案，并產(chǎn)生高度生理性和工程組織相關(guān)性，類似于體內(nèi)組織的表型和功能。

圖3. 宏觀腸道打印

圖4. 宏觀腸道功能表征

多細胞復雜組織打印
BATE同樣可以實現(xiàn)多細胞的打印，研究者嘗試了ISC和IMC的打印和共培養(yǎng)，并展現(xiàn)出具有顯著時空排列的多組織特征，滿足類器官培養(yǎng)中多種組織或器官整合的需求。

圖5. 共培養(yǎng)打印

總結(jié)
與現(xiàn)有的生物打印技術(shù)相比，BATE可在不同規(guī)模上指導組織形態(tài)發(fā)生，為復雜的自組織過程提供必要的環(huán)境，可以將干細胞之類的易碎細胞直接打印在Matrigel中，并自組織成復雜的幾何形狀。BATE還可以減少打印時間和幾何復雜性。因此，將類器官制造技術(shù)和生物3D打印技術(shù)相結(jié)合的BATE技術(shù)，可以構(gòu)建高度仿生的厘米尺度的組織，未來可為干細胞和再生醫(yī)學提供新的方法，為工程化自組織（Self-organization）功能化組織甚至多種組織組合提供了強大的工具。

參考文獻
Brassard, J.A., Nikolaev, M., Hübscher, T. et al. Recapitulating macro-scale tissue self-organization through organoid bioprinting. Nat. Mater. (2020). https://doi.org/10.1038/s41563-020-00803-5