《Science Advances》：3D打印植物細(xì)胞助力研究細(xì)胞功能

導(dǎo)讀：在三維（3D）環(huán)境中捕捉細(xì)胞間信號(hào)是研究細(xì)胞功能的關(guān)鍵。目前培養(yǎng)方法的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是缺乏對(duì)多細(xì)胞三維環(huán)境的準(zhǔn)確捕捉。



2022年10月，南極熊獲悉，來(lái)自北卡羅來(lái)納州立大學(xué)的研究者們，提出了一種利用 3D 打印機(jī)“生物打印”這些細(xì)胞來(lái)研究不同類(lèi)型植物細(xì)胞之間細(xì)胞通訊的可重復(fù)方法。通過(guò)此方法人們能夠了解植物細(xì)胞如何相互交流，以及與環(huán)境如何交流 ，并最終能夠創(chuàng)造更適合作物的生長(zhǎng)環(huán)境。他們的研究已經(jīng)發(fā)表在《Science Advances》上，題目為《Establishing a reproducible approach to study cellular functions of plant cells with 3D bioprinting》（《可重復(fù)的研究方法：用3D生物打印技術(shù)研究植物細(xì)胞的細(xì)胞功能》）。

在這項(xiàng)研究中，研究人員建立了一個(gè)3D生物打印植物細(xì)胞的框架，以研究細(xì)胞活力、細(xì)胞分裂和細(xì)胞特性，為生物打印的擬南芥和大豆細(xì)胞建立了長(zhǎng)期的細(xì)胞生存能力。為了分析生成的大型圖像數(shù)據(jù)集，研究人員還開(kāi)發(fā)了一個(gè)高通量的圖像分析方式。結(jié)果表明生物打印細(xì)胞的細(xì)胞周期的時(shí)間與核心細(xì)胞周期基因和再生相關(guān)基因的誘導(dǎo)相吻合。最后，生物打印的擬南芥根部細(xì)胞表達(dá)內(nèi)胚層標(biāo)記的特性保持了較長(zhǎng)的時(shí)間。研究人員指出，此處建立的框架為使用3D生物打印技術(shù)研究細(xì)胞重編程和細(xì)胞周期重新進(jìn)入組織再生奠定了基礎(chǔ)。

背景
三維生物打印能夠產(chǎn)生專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的三維細(xì)胞構(gòu)造，更好地模擬自然界的平面條件。三維生物打印可以通過(guò)應(yīng)用一種或多種方式進(jìn)行，以精確地在空間上沉積生物活性材料，稱(chēng)為生物墨水。為了實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的空間沉積并同時(shí)提供結(jié)構(gòu)支持，植物細(xì)胞可以被固定并在大量的水凝膠支架中進(jìn)行生物打印。因此，三維生物打印提供了一個(gè)有利的和可控的系統(tǒng)來(lái)制造復(fù)雜的系統(tǒng)，以生理上準(zhǔn)確的方式捕捉細(xì)胞的動(dòng)態(tài)和相互作用，實(shí)現(xiàn)組織再生。例如，人類(lèi)誘導(dǎo)多能干細(xì)胞已經(jīng)被生物打印出來(lái)，以研究細(xì)胞命運(yùn)、表型變化和組織再生。 植物本身就表現(xiàn)出極端的再生能力。例如，完全喪失的根部干細(xì)胞可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)被完全替換并發(fā)揮功能。單獨(dú)分離的植物細(xì)胞的再生能力受細(xì)胞類(lèi)型、組織類(lèi)型、基因型和特定的三維微環(huán)境的影響很大。因此，為了設(shè)計(jì)和建造能夠持續(xù)重現(xiàn)細(xì)胞反應(yīng)的三維微環(huán)境，需要有基因型和細(xì)胞類(lèi)型的特定設(shè)計(jì)。對(duì)于這樣的設(shè)計(jì)，需要考慮機(jī)械性能、營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)、可降解性和組織的模仿性。

實(shí)驗(yàn)及結(jié)論




通過(guò)三維生物打印技術(shù)，可以通過(guò)在一個(gè)明確的環(huán)境中沉積活的植物細(xì)胞來(lái)控制機(jī)械條件。此外，為了實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的細(xì)胞反應(yīng)，應(yīng)考慮生物打印的指標(biāo)，包括構(gòu)造尺寸、細(xì)胞密度、擠出時(shí)的速度和壓力以及噴嘴直徑。研究人員使用擬南芥根部的原生質(zhì)體，即沒(méi)有細(xì)胞壁的植物細(xì)胞，以研究細(xì)胞活力、細(xì)胞分裂和細(xì)胞在可調(diào)整的微環(huán)境中的行為。原生質(zhì)體可以表現(xiàn)出單個(gè)細(xì)胞行為。具體來(lái)說(shuō)，研究人員將從兩種不同組織類(lèi)型中分離出來(lái)的擬南芥根部細(xì)胞進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)7天的生物打印。在這個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)，結(jié)果表明，表達(dá)內(nèi)胚層標(biāo)記的分離細(xì)胞的百分比增加，表明分離細(xì)胞的身份在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)發(fā)生變化。 支持性的是，基因表達(dá)譜顯示了干細(xì)胞系標(biāo)志物和再生相關(guān)基因的誘導(dǎo)，表明生物打印細(xì)胞獲得了類(lèi)似干細(xì)胞的身份。最后，研究人員證明了3D生物打印技術(shù)在研究模型和作物物種的分離單細(xì)胞再生方面的適用性。

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2022-10-16 13:18 上傳

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