水凝膠中“長(zhǎng)出”微型器官，倫敦大學(xué)科學(xué)家使用 3D 生物打印了解癌癥傳播途徑

2023年6月12日，南極熊獲悉，來自倫敦大學(xué)學(xué)院（UCL）大奧蒙德街醫(yī)院和帕多瓦大學(xué)的科學(xué)家展示了如何通過生物3D 打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)在水凝膠中“生長(zhǎng)出”微型器官，這有助于更好地了解癌癥如何通過不同組織擴(kuò)散。這項(xiàng)新技術(shù)可以幫助控制微型器官的形狀和活動(dòng)，甚至可以迫使組織長(zhǎng)成“模具”。據(jù) UCL 稱，研究團(tuán)隊(duì)希望通過這種方式能夠制作出更逼真的器官和疾病模型，并更準(zhǔn)確地研究細(xì)胞和器官。

相關(guān)研究以題為“Hydrogel-in-hydrogel live bioprintingfor guidance and control of organoids and organotypic cultures/用于指導(dǎo)和控制類器官和器官型培養(yǎng)物的水凝膠包水凝膠活體生物打印”的論文被發(fā)表在《Nature Communications》期刊上，由AnnaUrciuolo, Giovanni Giuseppe Giobbe等人撰寫。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-37953-4#Ack1

類器官科學(xué)是扎耶德研究中心（倫敦大學(xué)學(xué)院大奧蒙德街兒童健康研究所和大奧蒙德街醫(yī)院的合作伙伴）的專業(yè)研究領(lǐng)域之一。它涉及創(chuàng)建微型版本的器官，例如胃、腸和肺。然而，組織幾乎總是以不受控制的方式生長(zhǎng)，并不代表自然器官的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。這一點(diǎn)尤為重要，因?yàn)槠鞴俚男螤詈徒Y(jié)構(gòu)與其細(xì)胞構(gòu)成一樣重要。

這項(xiàng)發(fā)表在《自然》雜志上的新研究首次展示了科學(xué)家如何在預(yù)先存在的凝膠中創(chuàng)建固體結(jié)構(gòu)并實(shí)時(shí)固化出特定的形狀，這一切都要?dú)w功于高分辨率顯微鏡。這意味著生長(zhǎng)中的微型器官或整個(gè)類器官中的任何細(xì)胞都將以特定方式生長(zhǎng)。

圖 1水凝膠打印的性能

圖 2 水凝膠中水凝膠實(shí)時(shí)生物打印的時(shí)間控制和 oSpCs 的受控軸突引導(dǎo)

圖 3 用于研究類器官 3D 培養(yǎng)物中癌細(xì)胞遷移的水凝膠活生物打印

圖 4 通過水凝膠水凝膠活體打印超類器官驅(qū)動(dòng)腸道類器官形態(tài)發(fā)生

圖 5水凝膠中水凝膠活生物打印對(duì)類器官和器官型培養(yǎng)物施加的 3D 幾何約束

例如，為了研究癌癥如何穿過不同硬度和密度的組織，該團(tuán)隊(duì)在癌細(xì)胞周圍創(chuàng)建了硬化凝膠籠，并監(jiān)測(cè)它們的運(yùn)動(dòng)如何根據(jù)周圍環(huán)境的密度而變化——這是了解癌癥擴(kuò)散的一個(gè)重要過程。

通過創(chuàng)建更好的疾病模型，研究人員希望未來的研究更加可靠，產(chǎn)生質(zhì)量更好的結(jié)果，并最終減少動(dòng)物研究。

研究團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在計(jì)劃使用生物打印技術(shù)來重建器官，以及研究當(dāng)器官不能正常生長(zhǎng)時(shí)其功能會(huì)發(fā)生什么變化，例如在懷孕早期出現(xiàn)的許多畸形。這項(xiàng)工作還可以通過在活體器官中輸送生物學(xué)上準(zhǔn)確的“補(bǔ)丁”來進(jìn)行治療。

這項(xiàng)研究的共同主要作者、倫敦大學(xué)學(xué)院大奧蒙德兒童街的 Giovanni Giobbe 博士說：“由于我們對(duì)聚合物凝膠進(jìn)行了微小而復(fù)雜的調(diào)整，看到這些精確的結(jié)構(gòu)開始在我們眼前形成，真是太神奇了。我們真的很高興看到這項(xiàng)成果可以幫助我們進(jìn)一步了解人類疾病，甚至有朝一日可以應(yīng)用到臨床治療上�！�

為了探索生物打印技術(shù)的用途，研究團(tuán)隊(duì)將該方法應(yīng)用于幾種不同的情況。例如，為了研究神經(jīng)元，類器官研究傳統(tǒng)上會(huì)產(chǎn)生無法分離和研究的無序神經(jīng)元束。然而，這項(xiàng)技術(shù)允許該團(tuán)隊(duì)為神經(jīng)元?jiǎng)?chuàng)造硬化的凝膠“軌道”來沿著它生長(zhǎng)，就像競(jìng)賽游泳池的泳道一樣。

同時(shí)，為了確保微觀腸道的形狀與“真實(shí)”發(fā)育中的腸道相同，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一個(gè)復(fù)雜的水凝膠模具，該模具可引導(dǎo)類器官形成模仿正在發(fā)育的腸道復(fù)雜結(jié)構(gòu)（稱為“隱窩”和“絨毛”）的形狀。同樣，科學(xué)家們能夠設(shè)計(jì)一種水凝膠來促進(jìn)肺細(xì)胞產(chǎn)生分支，就像它們?cè)谡鎸?shí)肺中所做的那樣。

NIHR GOSH BRC 組織與工程和再生醫(yī)學(xué)主題的負(fù)責(zé)人、倫敦大學(xué)學(xué)院大奧蒙德街兒童健康研究所的 Paolo De Coppi 教授（他是 GOSH 的兒科外科醫(yī)生，也是合作伙伴）說：“這項(xiàng)工作是一個(gè)很好的例子，說明我們?nèi)绾螌⒖鐚W(xué)科的國(guó)際團(tuán)隊(duì)聚集在一起，以改進(jìn)我們的研究并使患者受益。在英國(guó)專門從事類器官研究的 GOSH 和 UCL 團(tuán)隊(duì)，與專門從事凝膠打印設(shè)計(jì)和應(yīng)用的意大利團(tuán)隊(duì)合作，使這項(xiàng)具有重大意義的研究成果得以實(shí)現(xiàn)。這將對(duì)基于實(shí)驗(yàn)室的研究產(chǎn)生影響，以提高我們對(duì)疾病的理解，甚至也有可能應(yīng)用到臨床和治療�！�

這項(xiàng)工作的下一步將是研究這些受控、模制和定向的微型器官，以更好地了解它們?nèi)绾文７麦w內(nèi)的真實(shí)器官和狀況。

來自帕多瓦大學(xué)的、兒科研究所神經(jīng)肌肉工程實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)人Anna Uriuolo 博士說：“這項(xiàng)工作是生物醫(yī)學(xué)研究中正在爆發(fā)的多學(xué)科方法的進(jìn)步的一個(gè)典范。在實(shí)驗(yàn)室中復(fù)制器官模型的能力，以及幫助科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上再現(xiàn)健康和疾病組織和器官?gòu)?fù)雜性技術(shù)的發(fā)展，是推動(dòng)未來醫(yī)學(xué)發(fā)展的開始。”

這項(xiàng)工作得到了帕多瓦大學(xué)2017年STARS-WiC資助、帕多瓦大學(xué)Progetti di Eccellenza CaRiPaRo、TWINNING、Oak Foundation Award、AFM Telethon、意大利威尼托大區(qū)'Consorzio per la Ricerca Sanitaria'（CORIS）（LifeLab Program）、歐洲研究委員會(huì)（ERC，RerOids）對(duì)N.E.的資助、 以及帕多瓦大學(xué)2017年STARS啟動(dòng)資金和IRP鞏固者給A.U.、NIHR GOSH生物醫(yī)學(xué)研究中心和GOSH兒童慈善機(jī)構(gòu)的撥款資助。