哈佛醫(yī)學(xué)院張宇《Science》：3D生物打印在再生醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用前景

來源：高分子科學(xué)前沿

2024年8月8日，哈佛醫(yī)學(xué)院張宇(Yu Shrike Zhang)教授與西班牙的Gorka Orive教授在《Science》上發(fā)表了一篇前瞻性論文，探討了3D生物打印在再生醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用前景。接下來，就讓我們一起來深入了解這篇具有前瞻性的文章。

再生醫(yī)學(xué)通過注射、移植或植入活細胞來促進治療，如幫助傷口愈合。然而，如何有效將這些細胞輸送到目標部位，并確保它們在體內(nèi)存活和整合，是目前面臨的主要挑戰(zhàn)之一。為釋放細胞療法的潛力，開發(fā)和改進生物制造技術(shù)，生產(chǎn)高質(zhì)量的細胞產(chǎn)品十分關(guān)鍵。傳統(tǒng)的再生細胞療法通常是將細胞懸浮在液體中，通過針頭或?qū)Ч苤苯幼⑷肽繕瞬课弧１M管方法簡單，但臨床效果往往不佳，部分原因是注射的細胞無法在目標部位存活。為此，能夠更好保持細胞結(jié)構(gòu)的較大模塊成為一種有前途的替代方案。常見的載體包括可注射的水凝膠、微凝膠和裝載細胞的多孔聚合物微球等結(jié)構(gòu)化生物材料。

但這些方法面臨著一些缺陷，比如細胞密度降低，或與原生組織的成分和結(jié)構(gòu)不匹配。這些不足推動了無生物材料、細胞密集構(gòu)建體的發(fā)展。例如，三維排列的細胞在一些臨床前研究中表現(xiàn)出一定的成功。

然而，無論是采用富含生物材料還是不含生物材料的模塊化構(gòu)建體，它們在注射后幾乎都是隨機排列成不規(guī)則的結(jié)構(gòu)。 這對于許多細胞治療方案來說也許是可以接受的，但對于許多應(yīng)用來說，缺乏細胞組織可能會被證明是不夠的，因為在這些應(yīng)用中，與治療部位的原生幾何形狀相吻合是至關(guān)重要的。 例如，在皮膚損傷或肌肉缺失的情況下，必須與組織結(jié)構(gòu)相匹配，以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)、功能和美學(xué)效果。

為了解決這些問題，科學(xué)家們開發(fā)了精確控制細胞和生物材料的生物制造方法，尤其是三維生物打印技術(shù)。這項技術(shù)可以生成與原生組織形態(tài)相似的結(jié)構(gòu)。常用的模式包括擠壓生物打印、噴墨生物打印和液相聚合生物打印，它們能夠制作微觀和宏觀的細胞構(gòu)建體，與目標組織的結(jié)構(gòu)相似。

大多數(shù)生物打印依賴生物材料來形成組織結(jié)構(gòu)，但現(xiàn)在，科學(xué)家們開始將生物打印與不含生物材料的細胞密集模塊相結(jié)合。這種方法最初是通過將多細胞球體排列在圖案針陣列上實現(xiàn)的，后來，研究人員使用吸氣微噴嘴精確地疊加球體，形成復(fù)雜的三維圖案。近期的進展使得這些無生物材料的細胞聚集體能夠更精確地構(gòu)建出與組織相關(guān)的圖案，其分辨率和復(fù)雜性都更高。

例如，可以將僅由細胞組成的生物墨水通過生物打印噴嘴擠壓成純細胞結(jié)構(gòu)，并將其引入支持性水凝膠中進行圖案化。值得注意的是，將純干細胞生物墨水與擠壓生物打印技術(shù)結(jié)合，能夠生成具有明確時空排列特征的器官。這些生物打印器官在體外表現(xiàn)出比傳統(tǒng)球形類器官更好的一致性、分化效率和組織形成能力。

大多數(shù)人體器官的細胞密度非常高，每立方厘米含有數(shù)十億個細胞。這種密集排列對于器官的復(fù)雜功能和結(jié)構(gòu)完整性至關(guān)重要。例如，肝臟的細胞密集排列使其能夠有效進行代謝和解毒；心臟的緊密細胞排列則確保了高效的導(dǎo)電性和收縮力，從而調(diào)節(jié)泵血。因此，通過生物打印模擬這些高細胞密度的組織，有望在移植后促進細胞間的相互作用、信號傳遞和組織整合，顯著提升再生細胞療法的效果。

目前，結(jié)合無生物材料且細胞密度高的生物墨水的生物打印，通常依賴于臺式生物打印機。這意味著組織必須先在體外制造并成熟后，再進行移植。為此，原位生物打印技術(shù)應(yīng)運而生，這種方法直接將生物墨水圖案化到患者體內(nèi)的目標部位，精確構(gòu)建與實際組織相匹配的結(jié)構(gòu)。這種技術(shù)不僅具有高度適應(yīng)性，能減少污染風險和簡化程序，還能提高細胞的活力、功能、組織整合性和美觀性。它不僅適用于醫(yī)院的傷口再生，還可在戰(zhàn)場等緊急情況下快速應(yīng)用。

原位生物打印包括多種方法。可以在手術(shù)中使用傳統(tǒng)生物打印機直接應(yīng)用，也可以將打印頭微型化，安裝在手持設(shè)備中，方便外科醫(yī)生在治療部位進行手繪。此外，還可以通過編程，利用機器人驅(qū)動的導(dǎo)管式生物打印機進行治療性細胞生物墨水的精確輸送。目前，部分方法的臨床研究已在計劃之中。（圖1）

圖1：各種原位生物打印方法和生物墨水

值得注意的是，之前的原位生物打印主要依賴富含細胞的生物材料生物墨水。不過，將具有類似于原生組織細胞密度的生物墨水與原位生物打印技術(shù)結(jié)合，可以顯著提升打印效果。一些初步研究采用微凝膠作為構(gòu)建模塊，這些微凝膠中填充了高密度的細胞。通過預(yù)先培養(yǎng)，微凝膠形成了細胞密集的微型組織塊，然后作為生物墨水裝入原位生物打印機中。使用機械臂驅(qū)動的擠壓打印法可以在體內(nèi)修復(fù)大鼠的顱骨缺損，噴射式生物打印則能修復(fù)小鼠的肌肉和皮膚損傷。這些研究表明，按預(yù)定模式原位輸送高細胞密度的微型組織塊，比隨機輸送相同密度的微凝膠更有助于加快愈合。

展望未來

當原位生物打印技術(shù)開始使用不含生物材料的生物墨水時，再生醫(yī)學(xué)的潛力將會得到更大釋放。這是因為減少生物材料的使用，可以讓打印出的高密度細胞通過組織成熟形成更強的細胞間相互作用，并產(chǎn)生類似于天然組織的細胞外基質(zhì)（ECM），這是人工材料難以精確模擬的。此外，當干細胞在適當密度下進行原位生物打印，模仿早期發(fā)育階段的組織結(jié)構(gòu)時，將更有可能形成高功能的再生組織。

然而，將原位生物打印與無生物材料、細胞密集型的生物墨水相結(jié)合并非沒有挑戰(zhàn)。這種打印需要確保細胞模塊與周圍組織的微環(huán)境良好結(jié)合，同時保持模塊內(nèi)部的結(jié)構(gòu)完整性。這可能需要額外的設(shè)計考量，例如加入生長因子以促進細胞間的互動，形成完整的組織塊。雖然針頭注射是微創(chuàng)的，但使用原位生物打印機可能會影響手術(shù)創(chuàng)傷的程度，這取決于具體方法。此外，原位生物打印必須根據(jù)不同組織的需求進行精確的結(jié)構(gòu)設(shè)計，例如，肌肉需要單向排列，肝臟則需要重復(fù)的小葉單元。實現(xiàn)這種精確結(jié)構(gòu)可能并不容易，可能需要改進設(shè)備，甚至引入人工智能驅(qū)動的算法。

另一個值得探索的領(lǐng)域是，在原位生物打印后，通過添加趨化因子、基因編輯工具或其他生物活性劑來定向修飾或分化細胞。這可以通過使用聚合物納米顆粒、人工干細胞或細胞外囊泡來實現(xiàn)，控制藥劑釋放，同時減少外源生物材料的使用。由于這項技術(shù)仍處于早期階段，在實際應(yīng)用前需要進行廣泛的臨床前和臨床研究，以解決潛在的挑戰(zhàn)和安全問題。