加州大學(xué)圣地亞哥分校陳紹琛團(tuán)隊(duì)Sci.Adv.：高細(xì)胞密度、高精度3D生物打��！

來源：高分子科學(xué)前沿

科幻小說里常常暢想未來將擁有發(fā)達(dá)的醫(yī)療技術(shù)，即使一個(gè)人因?yàn)橐馔饣蚣膊��?dǎo)致器官損壞，也可以立即移植上一個(gè)新的器官并恢復(fù)健康。而在現(xiàn)實(shí)中，器官移植始終受限于供體短缺的問題，很多需要器官移植的患者在等待器官供體的過程中耗盡了生命。即使幸運(yùn)地得到了器官移植，免疫排斥反應(yīng)也始終是懸在患者頭頂?shù)倪_(dá)摩克利斯之劍。

今天，科學(xué)家們正在研究生物3D打印技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)是使用模擬細(xì)胞間質(zhì)的生物材料和生物活細(xì)胞作為原料，以生物組織和器官為藍(lán)圖，制造“活”的人造組織和器官的技術(shù)。人造組織和器官現(xiàn)已應(yīng)用于測(cè)試藥物的安全性和有效性，尤其是，使用患者自身病變部位的細(xì)胞制造的人造組織和器官在判斷藥物和療法對(duì)該患者的療效方面具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。在未來，人造組織和器官也可以用于輔助組織再生或器官移植，既避免了供體不足的問題，也因使用患者自身細(xì)胞制造器官從而不會(huì)造成免疫排斥反應(yīng)。

盡管未來可期，這項(xiàng)技術(shù)目前還面臨著很多挑戰(zhàn)。比如說，目前人造組織內(nèi)含有的細(xì)胞密度比真實(shí)的動(dòng)物器官的細(xì)胞密度低2個(gè)數(shù)量級(jí)以上。還有，目前的加工技術(shù)的分辨率還難以在高細(xì)胞密度的人造組織內(nèi)加工出血管網(wǎng)絡(luò)來。

如果把器官比作一個(gè)城市的話，那么一個(gè)健康的器官就像一個(gè)大都會(huì)，可以高效地產(chǎn)出產(chǎn)品和服務(wù)。一旦人口密度低于一定的閾值，那么信息交流和物質(zhì)運(yùn)輸將被阻斷，該地區(qū)的每一個(gè)人都只顧得上自己的生存而無法對(duì)外提供產(chǎn)品和服務(wù)。而血管就像城市的道路，缺少了血管網(wǎng)絡(luò)，居民必須的供給將得不到供應(yīng)，整座城市會(huì)陷入饑荒�？梢�，一個(gè)低細(xì)胞密度、缺少血管網(wǎng)絡(luò)的人造組織或器官難以精確地模擬正常的器官對(duì)于藥物的反應(yīng)，更無法用于器官移植。

加州大學(xué)圣地亞哥分校的陳紹琛團(tuán)隊(duì)最近研發(fā)了一種新技術(shù)，使得加工高細(xì)胞密度、具有血管網(wǎng)絡(luò)的人造組織或器官成為可能。研究者分析了基于光固化的生物3D打印技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)高細(xì)胞密度、高分辨率加工的原因，認(rèn)為細(xì)胞導(dǎo)致的光的散射是主要因素。因此，研究者使用一種生物兼容性極好的添加劑（iodixanol）來調(diào)節(jié)生物材料的折射率，使其與細(xì)胞質(zhì)的折射率一致，從而將散射大幅削減到原有水平的十分之一。

圖：生物材料折射率調(diào)整前（上）和調(diào)整后（下）的散射效果對(duì)比。

順利解決了散射問題后，研究者證明了在高細(xì)胞密度下（僅比真實(shí)的動(dòng)物器官的細(xì)胞密度低1個(gè)數(shù)量級(jí)）該技術(shù)可以達(dá)到50微米的加工分辨率。隨后，研究者加工出了一個(gè)具有血管網(wǎng)絡(luò)的人造組織并進(jìn)行灌流培養(yǎng)。培養(yǎng)14天后，免疫熒光染色的圖像表明，該組織內(nèi)不但在預(yù)先加工出的血管網(wǎng)絡(luò)里發(fā)生了內(nèi)皮化，而且在原本沒有加工血管的地方發(fā)生了血管新生，表明了該人造組織是健康的。

圖：含可灌流的血管網(wǎng)絡(luò)的人造組織。

該工作已以High Cell Density and High Resolution 3D Bioprinting for Fabricating Vascularized Tissues為標(biāo)題發(fā)表在Science Advances上（DOI: 10.1126/sciadv.ade7923）。