Nature | 通過自愈水凝膠中球體融合實現高細胞密度3D生物打印

來源：江蘇激光聯盟

據悉，需要細胞模型來研究人體發(fā)育和體外疾病，并篩選藥物的毒性和功效。當前的方法在功能組織模型的工程設計中受到限制，這些模型具有必要的細胞密度和異質性以適當地建模細胞和組織行為。來自美國賓夕法尼亞大學生物工程學院的研究人員開發(fā)了一種生物印刷方法，可將球狀體以高分辨率轉移到自愈水凝膠中，從而使其圖案化并融合到規(guī)定空間組織的高細胞密度微組織中。該研究成果2021年2月2日發(fā)表在Nature上。

生物制造技術，例如生物印刷，可以將細胞編程組裝成復雜的3D幾何形狀。但是，這些技術主要用于處理嵌入水凝膠中的細胞，這限制了細胞與細胞之間的相互作用并導致低細胞密度的構建體遠低于生長功能組織所需的構建體。這激勵了專門為球體量身定制的生物制造技術的發(fā)展，通常稱為生物組裝，該技術利用球體的能力通過液體狀聚結來融合，以最大程度地減少界面處的無粘合劑能量。

在該研究中，來自賓夕法尼亞大學的研究人員開發(fā)了一種方法，其中球狀體可以通過剪切變稀的水凝膠進行平移，水凝膠可以自我修復以在3D空間中接收和保持球狀體，包括球狀體之間的定向融合以形成具有確定形狀的高細胞密度微組織，從水凝膠中去除。支撐水凝膠的自修復性能可實現球體的精確定位（高達球體直徑的10％）和印刷后的球體高生存力（〜95％），而自修復水凝膠具有粘彈性和非粘性有助于在培養(yǎng)過程中控制相鄰球體之間融合為穩(wěn)定結構。

▲圖解：a. 示意圖（上），明視野圖像（中）和熒光圖像（下）說明：(i) 培養(yǎng)基儲庫中的MSC球狀抽吸，(ii)球狀轉移到自愈支持水凝膠（FITC標記）中，以及（iii）通過從微量移液器吸頭中除去真空，將球狀沉淀沉積在載體水凝膠中。圖像代表n=4個獨立實驗。b. 客體-宿主載體水凝膠的流變學特性表明：(i) 剪切稀化特性–粘度隨著剪切速率（0-100 s-1）的不斷增加而降低，以及(ii)自修復特性-儲存通過低（0.5％應變，10 Hz）和高（陰影，100％應變，10 Hz）應變循環(huán)恢復損耗模量。c. 客體（金剛烷，藍色）和主體（β-環(huán)糊精，橙色）修飾的支撐水凝膠（含FITC微粒）的透明質酸之間的可逆相互作用使得（i–ii）在球體平移過程中剪切作用下支撐水凝膠的局部屈服，以及（iii）球狀平移后支持水凝膠的快速愈合。(iv) 支撐水凝膠（球體標為虛線圓）的位移圖，顯示了在球體平移過程中水凝膠在球體前后的局部運動。圖像代表n=3個獨立實驗。所有比例尺250 μm。

▲自修復水凝膠中的3D生物打印球體

為了證明這種生物打印方法的實用性，研究人員通過生物打印包含空間控制密度的誘導多能干細胞（iPSC）衍生的心肌細胞和原代人心臟成纖維細胞的微組織，開發(fā)了一種模仿心肌梗塞后疤痕的心臟病模型。生物打印的模型復制了心肌梗死后出現的心臟病變（收縮輸出減少和電同步性降低），他們使用該模型來探查可改善心臟再生和心肌細胞增殖功能的miRNA治療劑。

▲圖解：(i) 通過將iPSC衍生的心肌細胞（iPSC-CM）與原代成年心臟成纖維細胞（CFs）按確定的細胞數比例混合（健康的比例為4：1；疤痕的比例為1：4）來發(fā)展健康且受到疤痕的球體。上圖：細胞接種后3天拍攝的圖像（心肌肌鈣蛋白T（cTnT）（紅色；iPSC-CMs；波形蛋白(綠色；CFs)）。比例尺50μm。下圖：在健康和疤痕過長的球體中，第3天對α-肌動蛋白（綠色；肉瘤）和cTnT（紅色；iPSC-CM）進行了免疫熒光染色。比例尺10微米。

▲圖解：(i) 健康和瘢痕心臟微組織環(huán)的3D生物打印示意圖，以及(ii)在支持水凝膠中融合5天后，健康和瘢痕心臟微組織中cTnT和波形蛋白的免疫熒光染色。比例尺100微米（插入50微米）。

研究人員建立了3D生物打印的心臟纖維化模型后，接下來希望利用該系統(tǒng)研究用于心臟修復的microRNA（miRNA）治療劑。在心肌梗死后的缺血環(huán)境中細胞死亡后，成年人的心臟組織自我修復能力有限，尤其是由于CM的非增殖性質。


生物打印技術的進步使得能夠開發(fā)出能夠更好地模仿天然組織和器官的復雜性的體外模型和可植入結構。其中許多技術依賴于都依賴于處理嵌入水凝膠中的細胞懸浮液，這使得用天然組織樣細胞密度和異質性以及由此產生的功能來工程化組織變得具有挑戰(zhàn)性。在這里，研究人員開發(fā)的能夠對高細胞密度組織模型進行3D生物打印的方法，并且可以精確控制微組織結構和局部異質性。這可以通過應用自愈水凝膠來實現，該凝膠支持3D空間中生物打印的球體的生物組裝和融合，以形成連續(xù)的細胞密集的組織模型。他們通過對心臟微組織疾病模型進行生物打印來證明該方法的潛力，該模型概括了MI后出現的病理性瘢痕形成特征，并使用心臟功能的讀數（收縮、電生理同步），能夠探查修復的miRNA治療方法。該方法具有很高的通用性，可以與各種各樣的球體和類器官系統(tǒng)一起實施，這為精確模型的3D生物打印提供了許多機會來模擬疾病和進行藥物篩選。

本文來源：Andrew C. Daly et al. 3D bioprinting of high cell-density heterogeneous tissue models through spheroid fusion within self-healing hydrogels, Nature Communications (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-21029-2