基于多材料投影光固化生物3D打印機(jī)，3D打印細(xì)胞自組裝血管

來源：EngineeringForLife  

血管化不僅是器官發(fā)生、組織形成和維持所必需的，而且是愈合和再生的關(guān)鍵，在血管化不足阻礙愈合的情況下，生物工程技術(shù)可以通過增強(qiáng)促進(jìn)再生與血管形成相關(guān)的基本細(xì)胞機(jī)制�？焖傺�管化是充分提供營養(yǎng)、氧氣和信號(hào)因子以及轉(zhuǎn)運(yùn)代謝產(chǎn)物的關(guān)鍵。所有這些必要的過程可確保細(xì)胞存活并防止更大組織或器官中壞死核心的發(fā)展。遺憾的是，模擬組織和微血管的生理復(fù)雜性，包括細(xì)胞排列和細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)相互作用，仍然是體外方法的一個(gè)挑戰(zhàn)。不同組織的血管系統(tǒng)以特定的血管模式為特征，不同組織的血管模式差異很大。因此，控制血管形成的獨(dú)特模式過程對(duì)于生物工程生理供應(yīng)和確保組織的總體功能是必不可少的。

近期，Berlin Institute of Health at Charité 的Isabel Orellano在AFM上發(fā)表了題為“Engineering Vascular Self-Assembly by Controlled 3D-Printed Cell Placement”的文章，報(bào)道了一種使用基于多材料投影立體光刻生物3D打印機(jī)和一種創(chuàng)新的生物材料系統(tǒng)來控制微血管結(jié)構(gòu)的幾何形狀。在該框架內(nèi)，HUVECs、hMSCs和人真皮成纖維細(xì)胞(hdFs)作為支持細(xì)胞類型相互作用，研究其血管生成和血管生成行為。

生物3D打印以特殊設(shè)計(jì)的方式將細(xì)胞和生物相容性材料結(jié)合起來，為設(shè)計(jì)血管化結(jié)構(gòu)提供了機(jī)會(huì)。然而，微血管動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性仍然難以通過復(fù)雜的3D制造重現(xiàn)。理想情況下，可利用內(nèi)皮細(xì)胞的天然組織能力，使工程血管網(wǎng)絡(luò)自我組裝，形成復(fù)雜、可控的微血管模式。研究人員提出了一種生物工程的方法來控制微血管結(jié)構(gòu)的形成，并引導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞和支持細(xì)胞在多材料光固化打印結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)自我組裝。生物工程血管化結(jié)構(gòu)是通過受控的細(xì)胞沉積在酶可降解或不可降解的材料中產(chǎn)生的。在體外，微血管結(jié)構(gòu)在分布、血管網(wǎng)方向、血管長度和分支行為、發(fā)育的管腔、血管穩(wěn)定的跡象和包括吻合在內(nèi)的相互連接的血管網(wǎng)中受到調(diào)節(jié)。這種新型的生物構(gòu)建方法展示了通過使用細(xì)胞和空間線索來生成清晰而精確的血管化結(jié)構(gòu)來控制微血管網(wǎng)絡(luò)形成的能力。這種控制微血管形成的新方法可能在血管化植入物或體外篩選模型的開發(fā)中發(fā)揮基本作用。

圖1 3D生物打印血管化結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)設(shè)置

圖2 HUVECs (HU‐mono)通過內(nèi)皮襯里形成大血管通道情況下的細(xì)胞行為

圖3 HUVECs與hMSCs在通道內(nèi)近距離排列(HU+hMSCs組)。

圖4 隨著第二種細(xì)胞類型的加入而形成的結(jié)構(gòu)化微血管網(wǎng)

圖5 不同hMSC濃度(HU_hMSCslow和HU_hMSCshigh)局部打印的HUVECs(綠色)和hMSCs(品紅)的細(xì)胞行為相互分離

圖6 不同角度的互聯(lián)血管網(wǎng)絡(luò)共聚焦圖像

圖7 通過改變細(xì)胞的位置、hMSCs的濃度和細(xì)胞類型來調(diào)節(jié)微血管結(jié)構(gòu)的形成

該系統(tǒng)允許通過內(nèi)皮襯里生成大血管通道，以及通過調(diào)節(jié)生物打印設(shè)置(即通過改變細(xì)胞位置、實(shí)體和劑量)，通過細(xì)胞自組裝過程形成可控的微血管結(jié)構(gòu)。通過改變支持細(xì)胞的類型和位置，可以誘導(dǎo)和調(diào)節(jié)血管結(jié)構(gòu)的形成。摻入細(xì)胞在培養(yǎng)數(shù)天內(nèi)即可形成有管腔的微血管結(jié)構(gòu)，并表現(xiàn)出穩(wěn)定和成熟的跡象，并通過血管生成和吻合形成相互連接的血管網(wǎng)絡(luò)。綜上所述，研究人員通過設(shè)計(jì)不同的細(xì)胞空間排列來控制形成的血管結(jié)構(gòu)的數(shù)量、方向、長度和分支行為，從而控制細(xì)胞間的相互作用、遷移和增殖，從而研究細(xì)胞類型和空間配置如何影響宏觀和微觀血管結(jié)構(gòu)的自組裝。這種將細(xì)胞自組裝的能力與血管形成的空間控制相結(jié)合的創(chuàng)新策略允許發(fā)展獨(dú)特而精確的血管化�？紤]到組織工程和再生療法的潛在用途，通過自組織形成的血管結(jié)構(gòu)應(yīng)優(yōu)于人工生成的血管結(jié)構(gòu)。這項(xiàng)工作代表了通過改變細(xì)胞類型和位置，通過細(xì)胞自組裝來形成和調(diào)節(jié)微血管結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)研究。

文章來源：
https://doi.org/10.1002/adfm.202208325