Nature Materials 評論| 生物打印更好的類器官

來源：上普生物

近期，華盛頓大學(xué)Benjamin D. Humphreys教授在Nature Materials上發(fā)表題為“Bioprinting better kidney organoids”的評論文章，本文主要是對2020年Nature Materials腎臟類器官打印的經(jīng)典文章“Cellular extrusion bioprinting improves kidney organoid reproducibility and conformation（點擊查看該篇文章介紹）”的評論，評論認(rèn)為，自動化的基于擠出的生物打印已經(jīng)顯示出能夠以改善的通量，質(zhì)量控制和規(guī)模使人腎臟類器官產(chǎn)生，這是朝著大規(guī)模腎臟組織工程邁出的重要一步。

人類腎臟類器官在疾病建模和藥物篩選方面的前景已得到廣泛認(rèn)可，但是在實現(xiàn)這種潛力之前，必須解決圍繞變異性，通量和規(guī)模的局限性（1）。幾乎所有的腎臟類器官分化方案都涉及多能干細(xì)胞向腎祖細(xì)胞定向分化，然后人工聚集這些祖細(xì)胞并在Transwell濾器上培養(yǎng)（2）。一些工藝?yán)�用旋轉(zhuǎn)生物反應(yīng)器來提高效率，但是這些工藝也依賴于大量細(xì)胞聚集（3）。腎臟的類器官不能生長到毫米以上，因為它們的內(nèi)部變得缺氧，導(dǎo)致壞死，并且它們也缺乏皮質(zhì)，髓質(zhì)和乳頭狀等高階形態(tài)。手動聚集的類器官也很費力費時，并且批次間差異很大（4）。生物打印提供了在速度和規(guī)模上精確控制三維空間中細(xì)胞沉積的能力，代表了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的潛在解決方案。

在此問題中，Lawlor及其同事報告了基于自動擠出的生物打印的使用（5）通過操縱生物物理特性，以高通量產(chǎn)生腎臟類器官，并提高了重現(xiàn)性并優(yōu)化了腎單位數(shù)目。作者利用培養(yǎng)了7天的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞分化為中間的中胚層發(fā)育階段。然后將細(xì)胞解離成單個細(xì)胞懸液，以形成由沒有任何載體水凝膠的細(xì)胞組成的“糊狀”或“生物墨水”。然后將這種細(xì)胞生物墨水用于擠出生物打印機(jī)中。與傳統(tǒng)的手動方法相比，該生物打印機(jī)能夠準(zhǔn)確，快速地在每個Transwell中放置更多的類器官，并且尺寸要小得多，而不會造成細(xì)胞分化。類器官工藝的挑戰(zhàn)之一是批次之間的差異（4），而生物打印的類器官提供了很大的改進(jìn)，尺寸變異系數(shù)非常低，僅為1-4％。

生物打印機(jī)的準(zhǔn)確性使方案可以從典型的六孔Transwell板適應(yīng)于96孔格式，從而可以進(jìn)行中等通量藥物篩選。作者還研究了類器官構(gòu)象對形態(tài)的影響。他們觀察到，當(dāng)將相同數(shù)量的細(xì)胞打印為線而不是點時，每個類器官的腎單位數(shù)量顯著增加（圖1）。盡管尚未證明這種作用的潛在機(jī)制，但限制將類器官打印為點時將發(fā)生的低氧中心似乎有助于增加那些以線條打印的類器官的腎生成。在此觀察結(jié)果的基礎(chǔ)上，研究人員能夠打印多條彼此相鄰的類器官線，從而在隨后的區(qū)分之后，他們能夠生成4.8×6 mm的類器官貼片。這些腎臟類器官具有高度一致的腎單位模式，并表達(dá)由間質(zhì)內(nèi)皮細(xì)胞圍繞的Henle近端和遠(yuǎn)端小管或環(huán)的標(biāo)記。最后，作者使用單細(xì)胞和大量RNA測序來證明，與人工聚集的類器官相比，生物打印的腎臟類器官的成熟性得到了改善。

Lawlor及其同事利用了一個腎單位祖細(xì)胞-中胚層-產(chǎn)生了后腎間充質(zhì)的衍生物，但缺乏輸尿管芽（包括收集管）的實質(zhì)性貢獻(xiàn)。現(xiàn)在，對于輸尿管的產(chǎn)生工藝芽樣組織已經(jīng)在小鼠和人開發(fā)（6，7），可設(shè)想以促進(jìn)分化這兩種細(xì)胞類型之間的往復(fù)感應(yīng)信令的方式生物打印這兩種細(xì)胞類型的形態(tài)發(fā)生。最近的多能干細(xì)胞也可以被誘導(dǎo)形成收縮性輸尿管組織的證明(8),提示了生物打印該祖細(xì)胞以將收集導(dǎo)管連接到輸尿管的可能性。

腎類器官的主要局限性在于缺乏功能性脈管系統(tǒng)。確實，Lawlor及其同事發(fā)現(xiàn)生物物理特性調(diào)節(jié)腎生成的發(fā)現(xiàn)可能反映了均勻的氧氣和營養(yǎng)素輸送對于成功的腎生成的重要性。是否可以通過將多個印刷的類器官與包埋的灌注血管通道結(jié)合產(chǎn)生厘米級的腎臟類器官，尚待觀察。詹妮弗·劉易斯（Jennifer Lewis）實驗室最近報告了使用心臟類器官的概念證明這一概念的原理，該方法將心臟小類器官壓縮成千上萬個小類器官，然后應(yīng)用生物制造技術(shù)-犧牲性寫入功能組織（SWIFT，懸浮打�。�-從而在心臟內(nèi)形成可灌注的血管通道(9)。犧牲墨水在類器官基質(zhì)中形成圖案，然后可以將其除去，留下可灌注通道網(wǎng)絡(luò)。以相同的方式，可以將無血管的腎臟組織的小塊彼此疊合，通過SWIFT在兩層之間打印出血管導(dǎo)管。

總而言之，這種用于腎臟類器官生成的生物打印方法代表了在提高產(chǎn)量，可變性和規(guī)模方面邁出的重要一步。這些結(jié)果無疑將促進(jìn)對生物打印可用于控制組織自組織并將其從毫米級擴(kuò)展到厘米級的方式的進(jìn)一步研究。



參考文獻(xiàn)
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本文譯自：https://www.nature.com/articles/s41563-020-00881-5