Nature | 通過自愈水凝膠中球體融合實(shí)現(xiàn)高細(xì)胞密度3D生物打印

來源：江蘇激光聯(lián)盟

據(jù)悉，需要細(xì)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(dāng)前的方法在功能組織模型的工程設(shè)計(jì)中受到限制，這些模型具有必要的細(xì)胞密度和異質(zhì)性以適當(dāng)?shù)亟�模�?xì)胞和組織行為。來自美國賓夕法尼亞大學(xué)生物工程學(xué)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(zhuǎn)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(xì)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(shù)，例如生物印刷，可以將細(xì)胞編程組裝成復(fù)雜的3D幾何形狀。但是，這些技術(shù)主要用于處理嵌入水凝膠中的細(xì)胞，這限制了細(xì)胞與細(xì)胞之間的相互作用并導(dǎo)致低細(xì)胞密度的構(gòu)建體遠(yuǎn)低于生長(zhǎng)功能組織所需的構(gòu)建體。這激勵(lì)了專門為球體量身定制的生物制造技術(shù)的發(fā)展，通常稱為生物組裝，該技術(shù)利用球體的能力通過液體狀聚結(jié)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(xué)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(jìn)行平移，水凝膠可以自我修復(fù)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(xì)胞密度微組織，從水凝膠中去除。支撐水凝膠的自修復(fù)性能可實(shí)現(xiàn)球體的精確定位（高達(dá)球體直徑的10％）和印刷后的球體高生存力（〜95％），而自修復(fù)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(jié)構(gòu)。

▲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(chǔ)庫中的MSC球狀抽吸，(ii)球狀轉(zhuǎn)移到自愈支持水凝膠（FITC標(biāo)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(gè)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)。b. 客體-宿主載體水凝膠的流變學(xué)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(fù)特性-儲(chǔ)存通過低（0.5％應(yīng)變，10 Hz）和高（陰影，100％應(yīng)變，10 Hz）應(yīng)變循環(huán)恢復(fù)損耗模量。c. 客體（金剛烷，藍(lán)色）和主體（β-環(huán)糊精，橙色）修飾的支撐水凝膠（含F(xiàn)ITC微粒）的透明質(zhì)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(biāo)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(yùn)動(dòng)。圖像代表n=3個(gè)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)。所有比例尺250 μm。

▲自修復(fù)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(shí)用性，研究人員通過生物打印包含空間控制密度的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC）衍生的心肌細(xì)胞和原代人心臟成纖維細(xì)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(fù)制了心肌梗死后出現(xiàn)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(xì)胞增殖功能的miRNA治療劑。

▲圖解：(i) 通過將iPSC衍生的心肌細(xì)胞（iPSC-CM）與原代成年心臟成纖維細(xì)胞（CFs）按確定的細(xì)胞數(shù)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(xì)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(zhǎng)的球體中，第3天對(duì)α-肌動(dòng)蛋白（綠色；肉瘤）和cTnT（紅色；iPSC-CM）進(jìn)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(fù)的microRNA（miRNA）治療劑。在心肌梗死后的缺血環(huán)境中細(xì)胞死亡后，成年人的心臟組織自我修復(fù)能力有限，尤其是由于CM的非增殖性質(zhì)。


生物打印技術(shù)的進(jìn)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(fù)雜性的體外模型和可植入結(jié)構(gòu)。其中許多技術(shù)依賴于都依賴于處理嵌入水凝膠中的細(xì)胞懸浮液，這使得用天然組織樣細(xì)胞密度和異質(zhì)性以及由此產(chǎn)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?qū)Ω呒?xì)胞密度組織模型進(jìn)行3D生物打印的方法，并且可以精確控制微組織結(jié)構(gòu)和局部異質(zhì)性。這可以通過應(yīng)用自愈水凝膠來實(shí)現(xiàn)，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(xì)胞密集的組織模型。他們通過對(duì)心臟微組織疾病模型進(jìn)行生物打印來證明該方法的潛力，該模型概括了MI后出現(xiàn)的病理性瘢痕形成特征，并使用心臟功能的讀數(shù)（收縮、電生理同步），能夠探查修復(fù)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(shí)施，這為精確模型的3D生物打印提供了許多機(jī)會(huì)來模擬疾病和進(jìn)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