《Cell》綜述：生物3D打印，生物學(xué)家的好幫手

來(lái)源： EFL生物3D打印與生物制造

生物3D打印是一項(xiàng)新興的技術(shù)，通過(guò)人工構(gòu)建生物學(xué)組織，能探索全新的組織結(jié)構(gòu)，徹底改變了生物學(xué)的基本認(rèn)知。生物3D打印技術(shù)不僅應(yīng)用于組織修復(fù)和藥物篩選，而且探索細(xì)胞形態(tài)及細(xì)胞相互作用中也有很大的應(yīng)用價(jià)值。賓夕法尼亞大學(xué)的Jason A. Burdick教授在Cell上發(fā)表了一篇名為“Bioprinting for the Biologist”的綜述。本篇綜述主要從生物學(xué)家視角看生物打印，概述了擠出生物打印的步驟，并討論了不同的生物3D打印技術(shù)以及其未來(lái)展望。

細(xì)胞生物學(xué)傳統(tǒng)上是通過(guò)在2D硬表面如細(xì)胞培養(yǎng)板或動(dòng)物模型中的細(xì)胞來(lái)研究的。而3D培養(yǎng)的細(xì)胞在柔軟的材料中培養(yǎng)，這種方式模仿了細(xì)胞在體內(nèi)的類集體性細(xì)胞行為。許多類型的生物或合成分子材料的水凝膠被開(kāi)發(fā)出來(lái)并應(yīng)用于細(xì)胞培養(yǎng)。在生物制造領(lǐng)域，生物3D打印被定義為：使用計(jì)算機(jī)輔助傳輸過(guò)程，用層積的方式制造出設(shè)定的圖案并組裝，以生產(chǎn)生物工程結(jié)構(gòu)的技術(shù)。

生物打印技術(shù)基本分為三類。

1. 擠出式打印技術(shù)：從打印機(jī)噴嘴用壓力驅(qū)動(dòng)的方式擠出用于打印的用戶自定義的細(xì)絲。（圖1）



圖1 擠出式打印技術(shù)

2. 投影式光固化生物3D打印：將光線集中到2D平面中以局部凝固水凝膠，然后通過(guò)機(jī)器轉(zhuǎn)換層面，形成連續(xù)的層層交聯(lián)的3D實(shí)體。光刻生物3D打印因?yàn)槠渚�確性，能夠重現(xiàn)復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)。如在2016年發(fā)表的研究中，使用投影式光固化技術(shù)在仿生六邊形顯微結(jié)構(gòu)中對(duì)誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC）-肝細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和脂肪干細(xì)胞進(jìn)行培養(yǎng)，并證明其培養(yǎng)模型可以增強(qiáng)肝細(xì)胞功能，增加肝臟特異性基因表達(dá)、白蛋白分泌和藥物代謝酶活性。（圖2A）



圖2 光控打印技術(shù)及微球打印技術(shù)

3. 微球打印技術(shù)：

球狀生物打印技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于其能提供高細(xì)胞密度結(jié)構(gòu)的印刷。當(dāng)單個(gè)細(xì)胞分散在凝膠中時(shí)，很多疾病狀態(tài)都難以忠實(shí)地表現(xiàn)出來(lái)。預(yù)制的球體可以融合到組織鏈中，然后自行將組織鏈擠壓呈更大的3D結(jié)構(gòu)。球狀生物打印技術(shù)在開(kāi)發(fā)器官和組織模型方面具有重大應(yīng)用前景。（圖2B）

作者對(duì)以上三種打印技術(shù)進(jìn)行了比較，并列出了其優(yōu)缺點(diǎn)。（表1）


表1 三種打印技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)比較


接下來(lái)，作者描述了生物打印的步驟。其被概括為三個(gè)步驟。（圖3）

1. 計(jì)劃。設(shè)計(jì)整體的打印模式和各個(gè)生物打印組件。其中需要注意兩個(gè)關(guān)鍵步驟：打印設(shè)計(jì)與生物墨水選擇。

打印設(shè)計(jì)通常通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件創(chuàng)建。創(chuàng)建CAD模型后，可以將其上傳到打印機(jī)中以創(chuàng)建G代碼。G 代碼定義了生物墨水的打印路徑，并可以指定如果使用多個(gè)生物墨水，在整個(gè)打印過(guò)程中使用哪些生物墨水。

生物墨水的選擇主要基于墨水的可打印性以及生物墨水對(duì)細(xì)胞行為的影響。在表2中列出了生物墨水選擇的一般注意事項(xiàng)。

表2 生物墨水選擇的一般注意事項(xiàng)



2. 打印。使用合適的生物打印機(jī)打印出設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)。

3. 加工處理。處理打印結(jié)構(gòu)。

生物打印的最后一步是加工處理生物打印出的結(jié)構(gòu)。這些主要考慮其整個(gè)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用場(chǎng)景。包括整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的長(zhǎng)度（這決定了你使用的生物墨水的穩(wěn)定性和打印出的結(jié)構(gòu)），以及里面需要承載什么細(xì)胞。用戶可能需要根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景規(guī)劃打印結(jié)構(gòu)的大小和打印參數(shù)。



圖3 生物打印的步驟

生物3D打印在生物學(xué)中的應(yīng)用：

1. 組織發(fā)育和修復(fù)生物打印模型

在3D打印的水凝膠中能夠提供不同生長(zhǎng)因子的生化梯度。在血管生成發(fā)芽實(shí)驗(yàn)中，細(xì)胞可降解水凝膠內(nèi)的3D打印微通道，根據(jù)不同的生長(zhǎng)因子濃度生長(zhǎng)。（圖4A）

2. 生物物理形態(tài)的發(fā)生

在組織生長(zhǎng)過(guò)程中，因?yàn)閮?nèi)部的壓力和張力產(chǎn)生，會(huì)導(dǎo)致機(jī)械力的作用。3D水凝膠模型可以重塑這種細(xì)胞外基質(zhì)模型。通過(guò)將纖維細(xì)胞的膠原蛋白生物墨水?dāng)D出到支架上，然后測(cè)量由于牽引力而發(fā)生的膠原蛋白長(zhǎng)度變化。（圖4A）

3. 癌癥疾病模型

在一項(xiàng)研究中，利用GelMA生物墨水的擠出式生物打印，開(kāi)發(fā)出了將膠質(zhì)母細(xì)胞和巨噬細(xì)胞分隔培養(yǎng)的微型大腦模型，能夠更好的模擬腫瘤和其周圍微環(huán)境的相互作用，此模型已證明與臨床生成的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)相關(guān)。（圖4B）

4. 管狀疾病模型

腎小管和血管之間的相互聯(lián)系與再吸收關(guān)系紛繁復(fù)雜。在一項(xiàng)研究中，通過(guò)纖維蛋白基質(zhì)中打印兩個(gè)平行的微通道，其中一個(gè)鋪近端腎小管內(nèi)皮細(xì)胞，另外一個(gè)鋪血管內(nèi)皮細(xì)胞以形成單層上皮和血管。通過(guò)閉環(huán)灌注系統(tǒng)控制通過(guò)兩個(gè)通道的流量，可以研究從上皮通道到血管通道的葡萄糖的再吸收。（圖4B）



圖4 生物打印在生物學(xué)上的應(yīng)用

最后，作者概述了一些前瞻性的研究方向：

1. 研究旁分泌等遠(yuǎn)距離生化信號(hào)

用傳統(tǒng)方式理解體內(nèi)的發(fā)育組織的形態(tài)發(fā)生發(fā)展是復(fù)雜的。但是生物3D打印可以在此發(fā)揮關(guān)鍵作用。生物過(guò)程中，細(xì)胞會(huì)通過(guò)旁分泌方式分泌細(xì)胞因子作用到另外的細(xì)胞上。生物打印可以將細(xì)胞因子的“發(fā)送者”細(xì)胞和“接收者”細(xì)胞進(jìn)行陣列排列，定量控制組織大小和組成以及細(xì)胞因子的擴(kuò)散距離以及擴(kuò)散率。有一研究表示血管細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞之間的相互作用可以通過(guò)細(xì)胞參數(shù)的變化實(shí)時(shí)成像繪制出包括增殖、遷移、分泌以及蛋白質(zhì)及基因表達(dá)等數(shù)據(jù)。（圖5A）

2. 在發(fā)育的分化點(diǎn)建立生物結(jié)構(gòu)

細(xì)胞可能因?yàn)闄C(jī)械牽引等因素產(chǎn)生不同的極化，從而產(chǎn)生極性分區(qū)。如向上與向下的方向性細(xì)胞，以及平面極性細(xì)胞。有一研究通過(guò)生物打印技術(shù)探索模式張力對(duì)細(xì)胞集體行為（如神經(jīng)嵴形成）的影響。3D生物打印可以在水凝膠中改變細(xì)胞類型、細(xì)胞間基質(zhì)（ECM）類型、ECM力學(xué)等參數(shù)，研究集體細(xì)胞行為。（圖5B）

3. 形態(tài)變化

生物打印方法可用于創(chuàng)建具有細(xì)胞密度梯度的組織，以確定細(xì)胞密度本身是否足以觸發(fā)出芽表型的形成。在研究中，可以通過(guò)與細(xì)胞密度相鄰的微環(huán)境條件進(jìn)行模式化并調(diào)整，可用于篩選微環(huán)境下的細(xì)胞遷移。（圖5C）



圖5 生物打印在生物學(xué)上新興的應(yīng)用場(chǎng)景

綜上，該綜述概述了生物打印作為一個(gè)新興的領(lǐng)域，如何使用這一技術(shù)的步驟及利用該技術(shù)解決生物問(wèn)題。生物體內(nèi)涉及復(fù)雜的細(xì)胞、生化和生物物理動(dòng)力學(xué)，這些動(dòng)力學(xué)塑造了生物體及其組成器官的形狀和組成，而人體內(nèi)這些復(fù)雜性可以通過(guò)各種方式經(jīng)由生物打印的方式進(jìn)行重現(xiàn)，并與迅速壯大發(fā)展的有機(jī)工程領(lǐng)域進(jìn)行合作。因此，生物3D打印的未來(lái)在解決生物學(xué)問(wèn)題中具有巨大的潛力。


文章來(lái)源：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.12.002