洞察組織生物打印最前沿！Cell重磅評(píng)述

來(lái)源： EngineeringForLife


工程化生物人工組織通常由細(xì)胞、生物材料和生物分子構(gòu)成，在醫(yī)學(xué)上有著廣泛應(yīng)用。 這些組織不僅可以用于了解疾病的形成和進(jìn)展，還可以用于開發(fā)生物替代品來(lái)修復(fù)或替換受損器官。此外，實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的組織也可用于開發(fā)人源化體外模型，以驗(yàn)證藥物的安全性和有效性。生物打印結(jié)合了增材制造和組織工程來(lái)生成功能性組織和器官。

2022年7月21日發(fā)表在《Cell》上的一篇評(píng)述文章對(duì)組織生物打印的研究現(xiàn)狀做了總結(jié)和進(jìn)一步的展望，相關(guān)內(nèi)容以“Tissue bioprinting for biology and medicine”為題，作者是來(lái)自加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）的Ali Khademhosseini教授和加拿大維多利亞大學(xué)的Mohsen Akbari教授。該評(píng)述重點(diǎn)介紹了生物打印領(lǐng)域的最新突破，并討論了在該技術(shù)廣泛應(yīng)用于生物學(xué)和醫(yī)學(xué)之前尚未解決的挑戰(zhàn)。

隨著新支架制造技術(shù)（如生物打印、程序化自組裝）的出現(xiàn)、具有細(xì)胞調(diào)節(jié)能力的新型生物材料的爆發(fā)、新型細(xì)胞來(lái)源的開發(fā)（例如，誘導(dǎo)多能干細(xì)胞）、用于疾病建模和藥物篩選的器官芯片系統(tǒng)的引入以及基因編輯工具（例如，CRISPR-Cas9）的出現(xiàn)（圖1），組織工程領(lǐng)域在過(guò)去30年中取得了顯著進(jìn)展。

△組織工程的進(jìn)展

組織工程在不同方面取得了進(jìn)展。 迄今為止，可再生細(xì)胞來(lái)源、新型生物材料、能夠在細(xì)胞水平上控制組織微環(huán)境的小型化系統(tǒng)、創(chuàng)新的生物制造方法和基因編輯工具可用于創(chuàng)建具有類似于天然組織的結(jié)構(gòu)、組成和功能特性的組織模擬物。

盡管這些進(jìn)步預(yù)示著醫(yī)學(xué)的光明未來(lái)，但仍有許多障礙需要克服。首先，很難概括由不同長(zhǎng)度尺度的多種不同細(xì)胞和材料組成的復(fù)雜活組織。第二個(gè)挑戰(zhàn)是在組織制造和成形過(guò)程中保持細(xì)胞活力和功能。最后，大規(guī)模組織制造需要可擴(kuò)展的方法，以便能夠在體外快速制造仿生工程組織。

生物打印為在三維空間中沉積細(xì)胞和生物活性分子提供了極大的靈活性，并且實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化工作流程，從而最大限度地減少了對(duì)細(xì)胞的手動(dòng)操作，提高了組織制造的可擴(kuò)展性以便進(jìn)行高通量藥物篩選。

△生物打印的進(jìn)步增強(qiáng)了組織擬態(tài)和細(xì)胞活力

這些進(jìn)步帶來(lái)了幾項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新，包括FRESH打印、多材料擠壓和基于光的打印、體積生物打印，以及具有改進(jìn)細(xì)胞相容性的新型顆粒生物墨水。

1. 增強(qiáng)組織擬態(tài)
每種組織都有其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)（包括不同細(xì)胞類型和成分的排布等），以實(shí)現(xiàn)特定的功能。例如，心臟是由同步收縮的對(duì)齊纖維狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成以實(shí)現(xiàn)泵血功能，而肝臟由六邊形結(jié)構(gòu)和大量的、纏繞在一起的血管網(wǎng)絡(luò)組成，負(fù)責(zé)過(guò)濾血液供應(yīng)中的有毒物質(zhì)并釋放膽汁以幫助消化食物。在幾納米到幾厘米的長(zhǎng)度范圍內(nèi)模擬復(fù)雜結(jié)構(gòu)的能力對(duì)于最終的工程組織的功能實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。

為了實(shí)現(xiàn)功能性組織的制備，幾種創(chuàng)新的生物打印策略被開發(fā)出來(lái)。美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)Feinberg教授團(tuán)隊(duì)提出了一種利用懸浮水凝膠自由可逆嵌入（FRESH）來(lái)對(duì)膠原蛋白進(jìn)行3D生物打印的方法，能夠在不同的尺度上直接獲得具有精確控制組成和微觀結(jié)構(gòu)的人心臟組織成分，從毛細(xì)血管到整個(gè)器官，相關(guān)論文發(fā)表在《Science》上（EFL也分享解讀了這項(xiàng)開創(chuàng)性的工作，詳見(jiàn)文末“鏈接1”）。盡管FRESH打印取得的成果令人振奮，但這個(gè)過(guò)程仍然很慢，需要幾個(gè)小時(shí)才能制作出厘米級(jí)的組織。這樣使細(xì)胞暴露于次優(yōu)的培養(yǎng)環(huán)境中，導(dǎo)致細(xì)胞受到很大的應(yīng)力，進(jìn)而可能損害其功能。此外，緩慢的打印過(guò)程限制了這項(xiàng)技術(shù)的臨床轉(zhuǎn)化。

生物打印技術(shù)需要快速沉積各種類型的細(xì)胞和材料，以重建復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。Mohsen Akbari教授團(tuán)隊(duì)采用多材料生物打印，同時(shí)或順序分配不同的材料和細(xì)胞以實(shí)現(xiàn)組織仿生。然而，緩慢的沉積速度和在打印頭之間切換所需的時(shí)間會(huì)顯著降低生物打印速度，同時(shí)將細(xì)胞長(zhǎng)時(shí)間保持在非生理環(huán)境中將影響打印后的細(xì)胞功能。Ali Khademhosseini教授團(tuán)隊(duì)使用一束毛細(xì)管構(gòu)成的打印頭，通過(guò)數(shù)字控制含有不同生物墨水的打印頭之間的快速平滑切換和協(xié)同工作，制備了復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)，提升了多材料生物打印的速度。長(zhǎng)期以來(lái)，使用基于光的技術(shù)，例如數(shù)字光處理 (DLP)，進(jìn)行多材料生物打印一直是一項(xiàng)重大的技術(shù)挑戰(zhàn)。在打印過(guò)程中更換生物墨水既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，并且會(huì)損壞結(jié)構(gòu)和細(xì)胞。為了解決這個(gè)問(wèn)題，Ali Khademhosseini教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種多材料DLP生物打印機(jī)，利用計(jì)算機(jī)控制的微流體生物墨水注射裝置將不同的生物墨水快速流動(dòng)到圖案光的路徑上，同時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生物墨水更換和清洗步驟，將打印速度提高了5倍。

2. 增強(qiáng)細(xì)胞活力
在具有臨床尺寸（厘米級(jí)）的組織中保持細(xì)胞活力和功能面臨著許多挑戰(zhàn)，包括大量的處理時(shí)間、施加于細(xì)胞的高剪切應(yīng)力以及需要血管輸送氧氣與營(yíng)養(yǎng)同時(shí)去除細(xì)胞廢物。

加利福尼亞大學(xué)伯克利分校Hayden K. Taylor團(tuán)隊(duì)開發(fā)出高速“容積3D打印技術(shù)”，只要光照幾十秒，完美雕像浮出水面。相關(guān)論文發(fā)表在《Science》上（EFL也分享解讀了這項(xiàng)開創(chuàng)性的工作，詳見(jiàn)文末“鏈接1”）。受計(jì)算機(jī)斷層掃描原理的啟發(fā)，烏得勒支大學(xué)Riccardo Levato教授團(tuán)隊(duì)使用體積打印在20秒內(nèi)將載有類器官的明膠水凝膠塑造成復(fù)雜的厘米級(jí) 3D 結(jié)構(gòu)（EFL也分享解讀了這項(xiàng)開創(chuàng)性的工作，詳見(jiàn)文末“鏈接2”）。到目前為止，體積生物打印技術(shù)還處于起步階段，這種方法需要大量的生物墨水和大量的細(xì)胞來(lái)打印大型組織。此外，當(dāng)前的體積打印機(jī)僅限于打印一種生物墨水，這限制了其在模擬天然組織的多組分復(fù)雜性方面的應(yīng)用。

打印方法和條件對(duì)細(xì)胞活力有很大影響。例如，基于擠壓的打印細(xì)胞在通過(guò)窄管時(shí)會(huì)受到很高的剪切應(yīng)力。細(xì)胞受到的剪切應(yīng)力與生物墨水粘度和打印速度成正比，與噴嘴直徑成反比。因此，任何提高打印速度和分辨率的努力都可能使細(xì)胞受到高剪切應(yīng)力并降低細(xì)胞活力。反之，降低生物墨水粘度可以提高細(xì)胞活力，但會(huì)阻礙可打印性并導(dǎo)致支架機(jī)械性能不佳。為了解決此問(wèn)題，Mohsen Akbari教授團(tuán)隊(duì)使用同軸打印的方法，使細(xì)胞遠(yuǎn)離剪切應(yīng)力最高的通道壁，從而保護(hù)細(xì)胞免受粘性生物墨水帶來(lái)的流變剪切力。另一種策略是使用光學(xué)生物打印。因?yàn)檫@種方法不使用噴嘴進(jìn)行打印，所以細(xì)胞不會(huì)受到破壞性的剪切力。

生物墨水的物理和化學(xué)特性對(duì)打印后細(xì)胞的活力和功能也至關(guān)重要。現(xiàn)有生物墨水的一個(gè)普遍缺點(diǎn)是孔徑小，這會(huì)阻礙可溶性分子的對(duì)流轉(zhuǎn)運(yùn)并阻礙細(xì)胞遷移和組織重塑。Griffin 等人使用顆粒材料制備支架用于皮膚組織快速再生，該生物墨水具有大表面體積比和短擴(kuò)散路徑的優(yōu)點(diǎn)，增強(qiáng)了向細(xì)胞的營(yíng)養(yǎng)輸送以及廢物的去除，促進(jìn)了細(xì)胞的長(zhǎng)期存活。此外，這些生物墨水的互連孔隙在支架降解之前促進(jìn)細(xì)胞向內(nèi)生長(zhǎng)和組織重塑。Fang 等人使用具有不同尺寸和特性的微凝膠，制造出與天然組織結(jié)構(gòu)相似的極其復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)。事實(shí)上，顆粒狀生物墨水的廣泛應(yīng)用需要它們能夠模擬天然組織的各向異性和分層結(jié)構(gòu)。為此，具有非球形幾何形狀的微凝膠和 Janus 微�？捎糜谥圃祛w粒狀生物墨水。這可以與計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)和人工智能相結(jié)合，以最大限度地提高質(zhì)量傳遞和細(xì)胞向內(nèi)生長(zhǎng)，同時(shí)保持生物打印組織的機(jī)械性能。

構(gòu)建功能性組織的障礙之一是確保工程結(jié)構(gòu)在制造后的長(zhǎng)期生存。大自然通過(guò)形成一個(gè)多尺度的血管網(wǎng)絡(luò)完美地規(guī)避了這一挑戰(zhàn)，這些血管網(wǎng)絡(luò)在整個(gè)組織中相互交織。美國(guó)萊斯大學(xué)Jordan S. Miller與華盛頓大學(xué)Kelly R. Stevens合作，利用投影立體光刻（projection stereolithography）3D打印技術(shù)，制備出會(huì)“呼吸”的人工肺，只需數(shù)分鐘就可在透明光聚合水凝膠中制備具有3D內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)的血管系統(tǒng)，相關(guān)論文發(fā)表在《Science》上，并被選為當(dāng)期封面。（EFL也分享解讀了這項(xiàng)開創(chuàng)性的工作，詳見(jiàn)文末“鏈接1”）。盡管基于光的方法相對(duì)較慢，但可以一次生成多個(gè)組織——這一特征對(duì)于藥物篩選的高通量組織生產(chǎn)至關(guān)重要。

3. 展望
在過(guò)去的幾年里，生物打印在各個(gè)方面都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。進(jìn)一步提高生物打印分辨率，同時(shí)允許制造具有厘米級(jí)尺寸的臨床相關(guān)組織，是下一個(gè)重要的里程碑。然而，實(shí)現(xiàn)高分辨率需要較長(zhǎng)的打印時(shí)間，并且會(huì)在打印過(guò)程中將細(xì)胞暴露在高剪切應(yīng)力下，所有這些都可能會(huì)損壞細(xì)胞并損害打印后的細(xì)胞功能。因此，未來(lái)的努力應(yīng)該集中在使生物打印組織在生理環(huán)境中保持高細(xì)胞活力的創(chuàng)新上。此外，使用數(shù)值模擬工具和機(jī)器學(xué)習(xí)方法對(duì)生物打印參數(shù)和生物墨水的生物物理和生化特性進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估可以提高分辨率和組織模擬，同時(shí)保持細(xì)胞活力并最大限度地降低操作成本。

用于器官移植和再生醫(yī)學(xué)的具有臨床相關(guān)尺寸的生物打印組織需要數(shù)十億到數(shù)萬(wàn)億個(gè)細(xì)胞，由此帶來(lái)了大批量細(xì)胞培養(yǎng)的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的平面培養(yǎng)系統(tǒng)無(wú)法大規(guī)模生產(chǎn)細(xì)胞。填充床培養(yǎng)系統(tǒng)和懸浮平臺(tái)可用于滿足生物打印大型組織的批量要求。然而，與擴(kuò)增和分化培養(yǎng)基的高成本、污染以及用于大規(guī)模生產(chǎn)細(xì)胞的現(xiàn)有分化方案的優(yōu)化相關(guān)的挑戰(zhàn)仍然存在。因此，生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)的進(jìn)步和新型微載體的開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)高產(chǎn)量的高密度細(xì)胞培養(yǎng)，這將極大地有利于組織打印領(lǐng)域。

用于器官移植的生物打印組織需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的監(jiān)管程序，以確保其長(zhǎng)期安全性和有效性。由于生物打印應(yīng)用的多樣性，受到 FDA不同部門的監(jiān)管，因此為建立生物打印產(chǎn)品的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)制定通用指南可能具有挑戰(zhàn)性。與器官移植相比，用于疾病建模的生物打印面臨的監(jiān)管障礙更少。然而，生物打印疾病模型仍需要驗(yàn)證，以確保正確模擬結(jié)果臨床轉(zhuǎn)化所需的病理生理學(xué)和藥代動(dòng)力學(xué)特性（例如炎癥反應(yīng)、代謝、分子轉(zhuǎn)運(yùn)）、穩(wěn)健性和可重復(fù)性。

總體而言，生物打印技術(shù)的不斷更迭和廣泛應(yīng)用，將極大地影響個(gè)性化醫(yī)療的發(fā)展。生物打印的未來(lái)應(yīng)用也不局限于器官移植和疾病建模，還可以用于創(chuàng)建含有藻類或細(xì)菌的結(jié)構(gòu)以生產(chǎn)可再生能源或捕獲二氧化碳，或者通過(guò)生產(chǎn)“人造肉”徹底改變食品行業(yè)。

文章來(lái)源：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S0092867422007206