CELLINK 生物打印機(jī)3D打印毛囊，促進(jìn)皮膚再生

2023年11月，南極熊獲悉，紐約倫斯勒理工學(xué)院的研究人員成功在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的人體皮膚組織中3D打印毛囊，這是一項(xiàng)具有里程碑意義的成就，標(biāo)志著皮膚工程和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重大進(jìn)步。這項(xiàng)研究由化學(xué)和生物工程副教授 Pankaj Karande 博士牽頭，題目為《Incorporation of hair follicles in 3D bioprinted models of human skin》，發(fā)表在《Science Advances》期刊上，實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是使用瑞典生物打印領(lǐng)導(dǎo)者 BICO 旗下 CELLINK 子公司的Bio X 3D 打印機(jī)。



研究速覽

研究人員將真皮乳頭細(xì)胞 (DPC) 和人臍靜脈細(xì)胞 (HUVEC) 誘導(dǎo)的球體打印在含有成纖維細(xì)胞的預(yù)凝膠真皮層內(nèi)，由此產(chǎn)生的組織在成熟時(shí)形成毛囊樣結(jié)構(gòu)，并由角質(zhì)形成細(xì)胞和黑素細(xì)胞的遷移支持，其形態(tài)和成分與天然皮膚組織非常相似。復(fù)雜性更高的重建皮膚模型可以更好地模擬天然附件結(jié)構(gòu)，作為移植物和測試化合物安全性的功效模型，可以對再生醫(yī)學(xué)產(chǎn)生重大影響。

頭發(fā)科學(xué)的進(jìn)展
毛囊皮脂腺單位包含毛囊和皮脂腺，是皮膚整體結(jié)構(gòu)的組成部分，在傷口愈合中發(fā)揮著重要作用。因此，它是皮膚研究的重點(diǎn)。在維持皮​​膚健康方面，毛囊的重要性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了化妝品。

研究人員開發(fā)的 3D 打印過程包括：

●在實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)皮膚和毛囊細(xì)胞，直到有足夠的細(xì)胞用于打印。

●然后，這些細(xì)胞與蛋白質(zhì)結(jié)合，形成生物墨水，由打印機(jī)逐層沉積，形成毛細(xì)胞沉積的通道。

●皮膚細(xì)胞遷移到這些通道，有效地復(fù)制毛囊的自然結(jié)構(gòu)。

Karande博士指出：“我們的工作是一個(gè)概念驗(yàn)證，即可以使用3D生物打印以高精度、可重復(fù)的方式創(chuàng)建毛囊結(jié)構(gòu)。未來的皮​​膚生物制造需要這種自動(dòng)化過程。使用人源細(xì)胞重建毛囊歷來都是一個(gè)挑戰(zhàn)。一些研究表明，如果這些細(xì)胞在三維環(huán)境中培養(yǎng)，它們有可能產(chǎn)生新的毛囊或毛干，我們的研究建立在這項(xiàng)工作的基礎(chǔ)上。”

生物打印過程
根據(jù)這項(xiàng)研究，人類真皮乳頭細(xì)胞 (DPC) 在毛囊發(fā)育中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，但當(dāng)它們在平面、二維環(huán)境中培養(yǎng)時(shí)，它們驅(qū)動(dòng)毛發(fā)生長的能力會顯著減弱，這與它們在毛囊中的行為形成鮮明對比。為了獲得更自然的立體環(huán)境，該團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向3D生物打印。


△皮膚內(nèi)毛囊的 3D 生物打印

研究團(tuán)隊(duì)使用CELLINK的BioX 3D生物打印機(jī)，控制擠出壓力、噴嘴直徑和打印速度，以確保生物打印細(xì)胞的存活和健康，包括人表皮角質(zhì)形成細(xì)胞 (HEK)、人表皮黑素細(xì)胞 (HEM)、真皮乳頭細(xì)胞 (DPC) 和人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞 (HUVEC)。

他們的任務(wù)是使用皮膚細(xì)胞組合制作小型毛囊模型（稱為球體）。他們要打印這些細(xì)胞，目標(biāo)是準(zhǔn)確復(fù)制人類真皮乳頭的尺寸，每個(gè)球體使用大約 3,000 個(gè) DPC。

隨后，研究團(tuán)隊(duì)開始構(gòu)建包含這些毛囊結(jié)構(gòu)的綜合皮膚模型，開發(fā)了一種由 DPC 和 HUVEC 組成的獨(dú)特“生物墨水”，還含有 HEK 和 HEM。這種毛囊生物墨水被分層放置在由人真皮成纖維細(xì)胞 (HDF) 制成的基礎(chǔ)床上，并與來自大鼠尾部的 I 型膠原蛋白和硫酸皮膚素混合。

在該基礎(chǔ)層之上，使用由 IV 型膠原蛋白配制的不同生物墨水打印另一層。該層是基礎(chǔ)真皮層和最上表皮層之間的關(guān)鍵連接處。經(jīng)過一小時(shí)的設(shè)置后，最后一步是添加最頂層，即含有 HEK 和 HEM 的表皮生物墨水，從而完成具有集成毛囊單元的復(fù)雜皮膚模型。

將皮膚模型浸入水中三天，然后暴露于氣液界面14天，以促進(jìn)細(xì)胞的正常發(fā)育和分化。這種暴露對于皮膚模型的發(fā)育至關(guān)重要，因?yàn)樗�促進(jìn)了表皮細(xì)胞的最終分化。目前，工程組織的壽命為兩到三周，這限制了毛干的發(fā)育。該團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是延長這一時(shí)期，讓毛囊進(jìn)一步成熟，這可能對藥物測試和皮膚移植產(chǎn)生重大影響。


△使用不同細(xì)胞成分生成的復(fù)雜 3D 生物打印球體的表征

未來發(fā)展
根據(jù)增材制造研究公司（以前稱為 SmarTech Analysis）的《生物打�。菏袌雠c機(jī)遇》報(bào)告，到 2031 年，該行業(yè)的價(jià)值可能達(dá)到 28 億美元。與這項(xiàng)研究是生物打印服務(wù)和材料的細(xì)分領(lǐng)域，雖然這種毛囊墨水是一個(gè)潛在利潤豐厚的領(lǐng)域，但生物打印服務(wù)預(yù)計(jì)將占這些收入的最大份額，達(dá)到 20.6 億美元。

BICO 集團(tuán)已做好充分利用這一空間的準(zhǔn)備。該公司成立于 2016 年，當(dāng)時(shí)名為 CELLINK，銷售生物打印機(jī)、墨水等。BICO 的生物打印機(jī)已廣泛應(yīng)用于哈佛大學(xué)等頂級組織和大學(xué)，以及默克和諾華等公司，該公司現(xiàn)在有了一位新的首席執(zhí)行官，這將推動(dòng) BICO 進(jìn)入一個(gè)新的增長時(shí)代。

倫斯勒理工學(xué)院 Karande 團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)最新研究建立在先前成功打印具有工作血管的皮膚的基礎(chǔ)上，標(biāo)志著在開發(fā)更好的燒傷和其他皮膚病治療方法方面邁出了重要一步。這項(xiàng)研究不僅為工程皮膚的毛發(fā)生長鋪平了道路，而且還為再生醫(yī)學(xué)和皮膚病學(xué)測試的變革性進(jìn)步奠定了基礎(chǔ)，還為研究干細(xì)胞再生老化頭發(fā)開辟了可能性。
原文鏈接：DOI: 10.1126/sciadv.adg0297