研究人員在功能性人體組織3D打印方面取得突破

2023年8月24日，南極熊獲悉，悉尼大學(xué)和兒童醫(yī)學(xué)研究所（CMRI）的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)宣稱(chēng)，利用3D光刻印刷技術(shù)制造了能夠準(zhǔn)確模擬器官結(jié)構(gòu)的功能性人體組織。

△微結(jié)構(gòu)壁龕的機(jī)械化學(xué)流光刻 (MCFL) 3D打印技術(shù)

研究人員利用生物工程和細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)，指導(dǎo)從血細(xì)胞和皮膚細(xì)胞中提取的干細(xì)胞分化為特定類(lèi)型的細(xì)胞。這些特定類(lèi)型的細(xì)胞可以形成類(lèi)似器官的結(jié)構(gòu)。

該項(xiàng)目由悉尼大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院的Hala Zreiqat教授和Peter Newman博士，以及CMRI的胚胎學(xué)研究部門(mén)負(fù)責(zé)人Patrick Tam教授領(lǐng)導(dǎo)。該團(tuán)隊(duì)的研究論文題為《利用機(jī)械化學(xué)微結(jié)構(gòu)細(xì)胞壁龕進(jìn)行多細(xì)胞圖案化編程》，已發(fā)表在《Advanced Science》雜志上。

△該研究已發(fā)表在Advanced Science雜志上（傳送門(mén)）

展望未來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)發(fā)展他們的技術(shù)，推動(dòng)再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，并探索治療各種疾病的新方法。

Hala Zreiqat教授評(píng)論道：“我們的新方法相當(dāng)于給細(xì)胞提供了一本指南，使它們能夠創(chuàng)建更有組織性、更接近其自然對(duì)應(yīng)物的組織。這是朝著能夠3D打印工作組織和器官的目標(biāo)邁出的重要一步�！�

△3D打印過(guò)程圖

細(xì)胞使用說(shuō)明書(shū)

細(xì)胞需要通過(guò)定位精確的蛋白質(zhì)和機(jī)械觸發(fā)器的詳細(xì)指令來(lái)構(gòu)建組織。據(jù)Newman博士介紹，如果沒(méi)有這些特定的指令，細(xì)胞很可能以不可預(yù)測(cè)和不精確的方式聚集在一起。

通過(guò)這項(xiàng)研究，科學(xué)家們利用一種新穎的3D光刻印刷技術(shù)生成微觀的機(jī)械和化學(xué)信號(hào)，引導(dǎo)細(xì)胞形成準(zhǔn)確有序的類(lèi)器官結(jié)構(gòu)。

這種技術(shù)成功地創(chuàng)建了類(lèi)似骨骼結(jié)構(gòu)的骨脂組織。還利用這種方法制造了類(lèi)似早期哺乳動(dòng)物發(fā)育過(guò)程的組織組裝。

Tam教授評(píng)論道：“過(guò)去，干細(xì)胞的培養(yǎng)可以產(chǎn)生許多細(xì)胞類(lèi)型，但我們無(wú)法控制它們?cè)?D空間中的分化和組裝。通過(guò)這種生物工程技術(shù)，我們現(xiàn)在可以指導(dǎo)干細(xì)胞形成特定的細(xì)胞類(lèi)型，并在時(shí)間和空間上正確組織這些細(xì)胞，從而重現(xiàn)器官的真實(shí)發(fā)育過(guò)程。”

△研究人員開(kāi)發(fā)了一本細(xì)胞“使用說(shuō)明書(shū)”

潛在的醫(yī)療應(yīng)用

希望這項(xiàng)研究能夠推動(dòng)對(duì)器官發(fā)育和功能的理解，以及遺傳突變和發(fā)育錯(cuò)誤如何影響器官疾病的研究。

此外，據(jù)稱(chēng)這項(xiàng)研究為細(xì)胞和基因治療的發(fā)展提供了潛力。事實(shí)上，能夠產(chǎn)生所需的細(xì)胞類(lèi)型可以促進(jìn)臨床相關(guān)干細(xì)胞的生產(chǎn)，用于治療目的。

Hala Zreiqat教授解釋道：“這種方法具有巨大的實(shí)際意義。例如，在再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，器官移植迫切需要，進(jìn)一步利用這種方法的研究可能有助于在實(shí)驗(yàn)室中培育功能性組織。”

Peter Newman博士補(bǔ)充說(shuō)：“這項(xiàng)技術(shù)可能會(huì)徹底改變我們研究和理解疾病的方式。通過(guò)創(chuàng)建疾病組織的準(zhǔn)確模型，我們可以在受控環(huán)境中觀察疾病的進(jìn)展和治療反應(yīng)。”

研究人員特別希望他們的發(fā)現(xiàn)能夠幫助治療由黃斑變性和遺傳疾病引起的視力喪失，導(dǎo)致視網(wǎng)膜光感受器細(xì)胞的喪失。

Tam教授說(shuō)道：“如果我們能夠通過(guò)生物工程生成一片細(xì)胞，并觀察整個(gè)系統(tǒng)的功能，那么我們就可以研究使用功能性細(xì)胞替代因疾病而喪失的眼睛細(xì)胞的治療方法�！�

他補(bǔ)充道：“如果我們能夠?qū)⒔】导?xì)胞輸送到眼睛中，將會(huì)產(chǎn)生巨大的影響。無(wú)論黃斑（視網(wǎng)膜中負(fù)責(zé)中央視覺(jué)的區(qū)域）是因?yàn)檫z傳疾病還是因?yàn)閯?chuàng)傷而喪失，治療方法都是相同的�！�

△BICO的Bio X 3D生物打印機(jī)是一種基于擠出的系統(tǒng)

正在發(fā)展的3D打印器官

盡管這項(xiàng)研究的結(jié)果令人充滿希望，但能夠3D打印可移植的器官仍然需要一段時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)。然而，一些公司正在朝著這個(gè)長(zhǎng)期目標(biāo)取得進(jìn)展。

去年，新澤西州史蒂文斯理工學(xué)院的研究人員宣布，他們利用計(jì)算建模技術(shù)推進(jìn)了基于微流控的3D生物打印，希望這能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)人體器官的3D打印。

此外，烏得勒支大學(xué)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成功利用超快體積3D生物打印技術(shù)制造出工作的肝臟。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)3D打印器官樣體（由干細(xì)胞制成的約1毫米的迷你單元，復(fù)制了其參考組織的某些特征）在不到20秒的時(shí)間內(nèi)成功制造出超過(guò)1立方厘米的功能性肝臟單元。這些肝臟單元能夠成功執(zhí)行關(guān)鍵的毒素清除過(guò)程，模擬人體肝臟的功能。