蘇佳燦教授團(tuán)隊(duì)最新《Small》綜述：3D生物打印構(gòu)建關(guān)節(jié)類器官策略與應(yīng)用

來源： EngineeringForLife

骨關(guān)節(jié)炎（OA）是一種長期發(fā)展的疾病，主要侵襲成年人，引發(fā)疼痛和功能障礙，全球大約有三億人受其影響。OA的核心問題在于軟骨遭受損害，包括細(xì)胞炎癥和細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的破壞。由于軟骨組織缺乏血管和神經(jīng)，其自我修復(fù)能力有限。再加上關(guān)節(jié)軟骨具有獨(dú)特的生物學(xué)特性和機(jī)械結(jié)構(gòu)，使得對其進(jìn)行重建和修復(fù)成為一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。近年來，類器官技術(shù)成為軟骨修復(fù)的新興策略之一。類器官是由體外培養(yǎng)的干細(xì)胞構(gòu)建的三維（3D）組織結(jié)構(gòu)，能夠模擬相應(yīng)器官的組織和功能，為研究和開發(fā)提供了生理學(xué)相關(guān)的平臺。構(gòu)建關(guān)節(jié)類器官有助于模擬關(guān)節(jié)內(nèi)的微環(huán)境，創(chuàng)建骨關(guān)節(jié)炎和類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎等疾病模型，同時(shí)也可用于測試關(guān)節(jié)植入物的藥物篩選和生物材料評價(jià)。

由于軟骨代謝機(jī)制的復(fù)雜性以及對機(jī)械強(qiáng)度的高需求，與其他軟組織的類器官相比，關(guān)節(jié)類器官的研究周期更長且具有挑戰(zhàn)性。因此，目前對于關(guān)節(jié)類器官構(gòu)建的研究仍然相對有限，仍是一個(gè)充滿挑戰(zhàn)的研究領(lǐng)域。近年來，3D生物打印和再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展為解決這些挑戰(zhàn)提供了新的機(jī)會(huì)。3D生物打印具有高通量、高精度和自動(dòng)化等優(yōu)勢，可以制造具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的關(guān)節(jié)類器官，更好地模擬真實(shí)關(guān)節(jié)的微環(huán)境。

近期，上海交通大學(xué)新華醫(yī)院/上海大學(xué)轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院蘇佳燦教授團(tuán)隊(duì)從3D建模、打印方式、生物墨水和培養(yǎng)條件四方面總結(jié)了構(gòu)建關(guān)節(jié)類器官的方法。他們特別強(qiáng)調(diào)了3D生物打印在這一領(lǐng)域的相關(guān)研究，提出了關(guān)節(jié)類器官構(gòu)建的階段性策略，為該領(lǐng)域的研究提供了新的思路。該綜述文章以"Small joint organoids 3D bioprinting: Construction strategy and application"為題，發(fā)表在《Small》期刊。蘇佳燦教授、上海大學(xué)任肖湘助理研究員與西安紅會(huì)醫(yī)院周鳳金教授為文章的共同通訊作者。

1. 關(guān)節(jié)組織的生物學(xué)結(jié)構(gòu)
以膝關(guān)節(jié)為代表的關(guān)節(jié)在解剖學(xué)上通常分為三個(gè)組成部分:關(guān)節(jié)面、關(guān)節(jié)囊和關(guān)節(jié)腔。關(guān)節(jié)面是關(guān)節(jié)頭與關(guān)節(jié)窩相鄰的表面，由關(guān)節(jié)軟骨覆蓋。關(guān)節(jié)囊具有外纖維層和產(chǎn)生滑液的內(nèi)滑液層，可以幫助減少摩擦。髕下脂肪墊將關(guān)節(jié)囊的纖維層與滑膜層分開，并將后者推向關(guān)節(jié)軟骨表面。關(guān)節(jié)腔是由關(guān)節(jié)軟骨和關(guān)節(jié)囊包圍的狹窄空間。軟骨退變是許多關(guān)節(jié)疾病的共同特征，但組織的相互關(guān)聯(lián)性不可避免地導(dǎo)致其他關(guān)節(jié)成分的致病性改變，如滑膜炎、髕下脂肪墊炎癥或軟骨下骨重塑。因此，作者也重點(diǎn)討論了關(guān)節(jié)軟骨、滑膜和髕下脂肪墊等三個(gè)部分，其中關(guān)節(jié)軟骨可以分為透明軟骨、鈣化軟骨和軟骨下骨。它們是關(guān)節(jié)的基本組成部分，對關(guān)節(jié)的健康和功能起著至關(guān)重要的作用。

圖1 關(guān)節(jié)的生理學(xué)結(jié)構(gòu)

2. 3D打印技術(shù)

(1) 噴墨打印
3D噴墨打印是一種與傳統(tǒng)噴墨打印機(jī)原理相同的方法，利用聲波或熱量來制造生物材料的液滴，從而形成所需的形狀。這種技術(shù)可分為兩類，聲學(xué)噴墨打印和熱敏噴墨打印。聲學(xué)噴墨打印機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是它避免了對生物材料使用熱量和壓力，減少了噴嘴堵塞的可能性。然而，可以打印材料的粘度是有限的。熱噴墨打印機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，如打印速度快，易于控制和廣泛的適用性。

(2) 擠壓式打印
基于擠壓的打印是一種常見的3D生物打印方法，允許打印具有不同粘度和高密度聚合物的各種水凝膠聚合物溶液。這種印刷技術(shù)使用柱塞、旋轉(zhuǎn)或氣動(dòng)壓力將材料擠出噴嘴。與其他方法相比，機(jī)械驅(qū)動(dòng)的方法提供了更好的流量調(diào)節(jié)，從而提高了打印精度。但是擠壓壓力太大會(huì)對細(xì)胞活性產(chǎn)生負(fù)面影響。

(3) 激光輔助打印
激光輔助生物打印使用雙層結(jié)構(gòu)，可以對激光刺激做出反應(yīng)。它由上面的能量吸收層和下面的生物墨水溶液層組成。激光脈沖聚焦在吸收層上，導(dǎo)致下層形成高壓液體氣泡。然后將混合了細(xì)胞的生物墨水噴射到打印平面上。激光輔助打印種細(xì)胞更加活躍，并且具有非常高的打印分辨率，甚至可以打印單個(gè)細(xì)胞。然而，由于高精度激光器的高成本，這些打印機(jī)并沒有廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室。

(4) 光固化打印
光固化打印是一種廣泛使用的3D打印方式，特別是在軟骨和骨修復(fù)領(lǐng)域。這些打印方式利用光誘導(dǎo)聚合從一桶樹脂中制造出三維結(jié)構(gòu)。它可以分為幾種不同類型的光固化3D打印技術(shù)，如立體光刻技術(shù)(SLA)，數(shù)字光處理(DLP)和液晶顯示技術(shù)(LCD)，每一個(gè)都有自己獨(dú)特的特點(diǎn)。與其他打印方法相比，光固化生物打印相對較快，并且細(xì)胞存活率高，因?yàn)樵诖蛴∵^程中不需要對材料施加機(jī)械力。

圖2 四種不同的打印方式

圖3 幾種不同的生物墨水

表1 幾種不同生物墨水的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用

3. 生物3D打印關(guān)節(jié)類器官的構(gòu)建策略
關(guān)節(jié)是由多種組織組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，包括髕下脂肪墊、肌腱、韌帶和半月板。然而，構(gòu)建一個(gè)完整的關(guān)節(jié)類器官來模擬關(guān)節(jié)各部分的動(dòng)態(tài)環(huán)境是一個(gè)挑戰(zhàn)。因此，提出的策略主要集中在模擬關(guān)節(jié)軟骨和軟骨下骨的體內(nèi)微環(huán)境。在本文中，作者提出了構(gòu)建關(guān)節(jié)類器官的三部曲，包括構(gòu)建基礎(chǔ)關(guān)節(jié)類器官策略、結(jié)構(gòu)化關(guān)節(jié)類器官策略和功能化關(guān)節(jié)類器官策略。

圖4 生物3D打印關(guān)節(jié)類器官的構(gòu)建策略

4. 生物打印關(guān)節(jié)類器官的應(yīng)用
類器官有可能徹底改變關(guān)節(jié)疾病的研究及其治療。傳統(tǒng)的2D和3D細(xì)胞培養(yǎng)模型缺乏體內(nèi)關(guān)節(jié)組織的復(fù)雜性和生理相關(guān)性，相比之下，類器官提供了一種在器官水平上模擬關(guān)節(jié)病理的實(shí)驗(yàn)上更可行的方法。動(dòng)物模型提供了現(xiàn)實(shí)的微環(huán)境，但也引起了倫理問題。類器官技術(shù)的出現(xiàn)提供了一個(gè)有希望的替代方案，提供了一種在器官水平上模擬關(guān)節(jié)病理的實(shí)驗(yàn)上更可行的方法。此外，關(guān)節(jié)類器官在關(guān)節(jié)修復(fù)方面也具有廣闊的應(yīng)用前景。關(guān)節(jié)類器官在關(guān)節(jié)修復(fù)中的一個(gè)很有前景的應(yīng)用是能夠改造和再生軟骨組織。由患者來源的組織構(gòu)建的類器官可以通過確定每個(gè)患者的最佳藥物來實(shí)現(xiàn)個(gè)性化醫(yī)療。就像藥物測試一樣，關(guān)節(jié)類器官可以用來評估各種植入材料的功效，包括醫(yī)用金屬、陶瓷和聚合物。這對于開發(fā)可用于治療關(guān)節(jié)疾病和損傷的新型植入材料尤為重要。

圖5 關(guān)節(jié)類器官的應(yīng)用

5. 總結(jié)和展望
構(gòu)建關(guān)節(jié)類器官是一個(gè)復(fù)雜的過程，需要考慮多種細(xì)胞類型、生物材料組合和生長因子調(diào)節(jié)。關(guān)節(jié)類器官的可重復(fù)性和穩(wěn)定性仍然需要改進(jìn)，如干細(xì)胞定向分化、血管化和免疫等挑戰(zhàn)是關(guān)鍵問題。盡管存在這些挑戰(zhàn)，3D生物打印和干細(xì)胞研究在構(gòu)建關(guān)節(jié)類器官方面具有巨大的潛力。我們相信3D生物打印作為一種新方法將為關(guān)節(jié)組織建模和關(guān)節(jié)疾病治療提供很多機(jī)會(huì)。

文章來源：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202302506