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

來(lái)源：上普生物

瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)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(shì)，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(xué)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(shì)和局限（organoid）：在體內(nèi)，組織形成嚴(yán)重依賴于嚴(yán)格調(diào)節(jié)的形態(tài)發(fā)生程序，允許細(xì)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(dǎo)細(xì)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(xué)上的復(fù)雜性。由于其獨(dú)特的自組織潛力，干細(xì)胞衍生的類器官是有希望構(gòu)建出工程方法無(wú)法比擬的組織結(jié)構(gòu)和細(xì)胞類型組成的局部特征。但是，由于類器官難以生長(zhǎng)到毫米級(jí)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(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的器官功能響應(yīng)，限制了類器官技術(shù)在體外仿生模型和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。

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

生物3D打印技術(shù)是先進(jìn)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(shì)相結(jié)合，有望構(gòu)建出厘米級(jí)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(xì)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(jìn)化的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。

令人嘆服的是研究者逆天的動(dòng)手能力：將一個(gè)微擠出系統(tǒng)和顯微鏡（自帶三維運(yùn)動(dòng)臺(tái)）相結(jié)合，構(gòu)建了一個(gè)自帶顯微圖像實(shí)時(shí)觀察的打印系統(tǒng)，并腦洞打開(kāi)的提出了未來(lái)可基于自動(dòng)顯微鏡實(shí)現(xiàn)時(shí)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(jī)在第一種組織周邊打印第二種組織，在空間和時(shí)間上都精準(zhǔn)控制組織的發(fā)育。

圖1. 顯微鏡生物3D打印機(jī)

含有超高密度細(xì)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(lái)源于天然組織，生物活性好，強(qiáng)度低，不會(huì)阻礙干細(xì)胞后續(xù)的自組織發(fā)育。通過(guò)優(yōu)化墨水參數(shù)和打印參數(shù)，BATE技術(shù)可實(shí)現(xiàn)超高細(xì)胞密度墨水的打印(每毫升10^8 個(gè)細(xì)胞)，并保持良好的細(xì)胞活性。
BATE方法在人類組織原代細(xì)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(xì)胞類型（hISC，hMSC和HUVEC），并通過(guò)培養(yǎng)控制細(xì)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(luò)，符合這些細(xì)胞原本的組織特征。

圖2. 不同細(xì)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(fù)雜的圖案化組織，這需要對(duì)幾何學(xué)，細(xì)胞間相互作用，ECM組成和動(dòng)力學(xué)以及關(guān)鍵可溶性因子的存在進(jìn)行精確控制（圖3a）。小鼠腸道干細(xì)胞（mISC）在Matrigel中培養(yǎng)并添加確定的生長(zhǎng)因子混合物（EGF，Noggin和R-spondin（ENR））時(shí)，會(huì)形成帶有隱窩和類絨毛狀隔室的類器官，類似于該動(dòng)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(guò)后續(xù)的培養(yǎng)和細(xì)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(fù)制復(fù)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(xì)胞復(fù)雜組織打印
BATE同樣可以實(shí)現(xiàn)多細(xì)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(shí)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(dǎo)組織形態(tài)發(fā)生，為復(fù)雜的自組織過(guò)程提供必要的環(huán)境，可以將干細(xì)胞之類的易碎細(xì)胞直接打印在Matrigel中，并自組織成復(fù)雜的幾何形狀。BATE還可以減少打印時(shí)間和幾何復(fù)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(lái)可為干細(xì)胞和再生醫(yī)學(xué)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(qiáng)大的工具。

參考文獻(xiàn)
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