《Biofabrication》：生物3D打印和血管化策略之間的協(xié)同耦合

來源： EngineeringForLife

三維（3D）生物打印為生物制造中血管化的復雜挑戰(zhàn)提供了很有前途的解決方案，從而提高了工程組織和器官的臨床轉化前景。雖然現有的綜述涉及了血管化組織環(huán)境中的3D生物打印，但來自美國賓夕法尼亞州立大學的Ibrahim T Ozbolat及其團隊綜述了一個更全面的視角，包括最新的技術進步，并跨越整個多階段生物打印過程，特別強調血管化。3D生物打印和血管化策略之間的協(xié)同作用至關重要，因為3D生物打印可以創(chuàng)建個性化、組織特異性的血管網絡，而血管化可以提高組織活力和功能。本綜述首先提供整個生物打印過程的全面概述，從生物打印前階段到打印后處理，包括灌注和成熟。接下來討論了可以與生物打印無縫集成的血管化策略的最新進展。還討論了組織特異性的例子，說明這些血管化方法如何為不同的解剖組織定制，以提高臨床相關性。最后強調了未充分探索的術中生物打印（IOB），它可以直接重建缺損部位的組織，強調IOB與血管化策略結合再生可能形成的協(xié)同作用。

相關綜述內容以“Synergistic coupling between 3D bioprinting and vascularization strategies”為題于2023年11月20日發(fā)表在《Biofabrication》。

圖1 整個生物打印過程

目前，磁共振成像（MRI）、計算機斷層掃描（CT）、超聲成像（USG）等各種成像方式（即光學相干斷層掃描（OCT）、血管造影等）被用于獲取組織和器官的3D解剖（圖1a）。對于生物打印，目前的工藝方式包括基于液滴的生物打印（DBB）、基于激光的生物打印（LBB）、基于擠壓的生物打印（EBB）和基于光技術（圖1b）。在對組織和器官替代品進行生物打印后，生物打印后的階段對在合適的生物反應器中區(qū)分干細胞和成熟生物打印替代品起著至關重要的作用，這是一個高度依賴時間的過程，須在嚴格控制的條件下進行（圖1c）。

圖2 生物打印血管結構中的血管生成因子

在一項研究中報道了一種雙重生長因子使骨組織血管化的方法。將具有成骨和血管生成潛能的人牙髓干細胞的骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2（BMP-2）和容易缺氧的中央區(qū)VEGF對人牙髓干細胞進行生物打印（圖2a）。與非血管化組織相比，預血管化結構顯示出更快的骨修復。內皮細胞特異性microRNA-126（miR-126）通過抑制相反的信號轉導通路調節(jié)因子促進血管生成因子，如VEGF或FGF。利用miRNA共分化進行3D異型血管化前骨形成，通過使用轉染miR-148b和miR-210的ADSCs球狀體制作雙態(tài)結構，并顯示它們的成骨和內皮分化、礦化和骨形成潛能（圖2b）。

圖3 直接生物打印的血管組織制造

直接生物打印方法利用細胞封裝的生物墨水積極主動生物打印空心血管結構。因此更傾向于混合不同的材料，以優(yōu)化機械強度和生物活性之間的適當平衡。人微血管內皮細胞和纖維蛋白被生物打印在一起，這些細胞最終自行排列并在通道內增殖（圖3a）。有一項研究將HUVSMCs封裝在海藻酸鈉中，并使用同軸噴嘴以血管導管的形式進行生物打印，細胞在管腔表面及其周圍顯示出膠原蛋白和平滑肌基質沉積生長（圖3b）。

圖4 間接生物打印用于血管化組織制造

間接生物打印利用犧牲墨水，首先沉積在水凝膠基質中，然后移除以形成類似中空容器的結構。這些血管可以被內皮細胞和平滑肌細胞填充。為了實現組織構建的有效血管化技術，有研究報道一種使用3D打印瓊脂糖模板纖維的方法，該方法隨后被移除，以在GelMA內創(chuàng)建可灌注網絡（圖4a）。此外另有研究了幾種水凝膠，包括PEGDA、纖維蛋白-纖維蛋白原-凝血酶和海藻酸鹽，并在可灌注通道內形成不同的血管結構（圖4b）。

圖5 可以與生物打印的組織和器官替代品相結合的其他血管化策略

將復雜的層次血管網絡納入生物打印組織結構對氧合具有重要意義。為了實現中尺度和微尺度血管網絡的結合，在ECM上生物打印自組裝微血管，然后將其連接到更大的植入管狀血管支架內部（圖5a）。最近有研究報道一種新顯微外科技術能夠創(chuàng)建血管化、更厚、臨床可轉化的組織結構（圖5b）。

圖6 生物打印的血管化組織研究

一些異體多層皮膚移植已被用于受損的非愈合皮膚傷口，但由于缺乏對與宿主組織整合至關重要的復雜皮膚微血管系統(tǒng)，這種皮膚移植隨著時間的推移而失敗。一項研究表明，Zn2SiO4（ZS）納米顆粒支持血管化、受神經支配的皮膚再生（圖6a）。骨骼肌是一種動態(tài)、異質和神經支配的組織，由高度分化的肌纖維束組成。通過使用人類初級肌肉祖細胞裝載水凝膠生物膠、犧牲的非細胞明膠和支持的PCL框架制作3D可植入肌肉結構（圖6b）。在過去的幾十年里，對患者特異性骨移植來修復骨缺損的需求非常大。最近有研究報道利用人脂肪來源的間充質干細胞（ASCs）和HUVECs開發(fā)了長方體狀、前血管化的骨組織結構（圖6c）。目前，心肌梗死和先天性心臟病是世界范圍內的主要死亡原因。有研究利用誘導多能干細胞衍生的類器官進行生物打印的心臟組織構建（圖6d）。肝臟是人體中最大的腺體，在代謝、解毒、膽汁的產生和電解質和水的調節(jié)等方面起著至關重要的作用。有研究提出了一種通過包括EBB、聚二甲基硅氧烷（PDMS）封裝、灌注和移植在內的混合系統(tǒng)制造的血管化肝平臺（圖6e）�？傊�，生物打印領域的進步使肌肉骨骼和代謝上高活性的功能組織和器官的制造成為可能。

圖7 IOB：生物打印臨床轉化

IOB是指在手術環(huán)境中對活體受試者進行生物打印的過程，以精確和準確的解剖方式促進生物制劑沉積到缺陷部位（圖7a）。IOB被用于各種組織重建。例如使用IOB廣泛沉積膠原蛋白，有組織的血管網絡和增殖角質形成細胞來替代傷口（圖7b）。有研究使用裝載人ASCs和HUVECs的膠原生物墨水來治療體積肌肉喪失（VML）（圖7c）。一項基于數字近紅外光聚合的技術能夠在體內無創(chuàng)制造組織結構，該技術包括將皮下注射生物墨水注射到定制組織結構中，使用調制模式數字近紅外光的體外輻射（圖7d）。使用具有全層皮膚傷口的豬模型進一步證明相同的手持式生物打印機概念（圖7e）。

在過去的十年里，生物打印領域的進步顯著擴展其在再生醫(yī)學中的應用。雖然之前已用生物打印構建一些組織移植物，但缺乏血管相互連接和血液供應。因而未能充分轉化。本文綜述了生物打印及其在血管化背景下的基本步驟，并強調了最近在血管化組織和器官替代品的生物打印方面取得的進展和成就。盡管取得了相當大的進展，但在尋找血管生成生物墨水和優(yōu)化干細胞來源的內皮細胞方面仍存在挑戰(zhàn)。此外，涉及解剖學相關的大型動物模型的全面轉化研究是必要的。通過嚴格的測試、驗證和調控過程克服這些障礙，生物打印的組織和器官有望成為推進再生醫(yī)學和未來臨床應用的寶貴資產。

文章來源：https://doi.org/10.1088/1758-5090/ad0b3f