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(lái)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(lái)，就讓我們一起來(lái)深入了解這篇具有前瞻性的文章。

再生醫(yī)學(xué)通過(guò)注射、移植或植入活細(xì)胞來(lái)促進(jìn)治療，如幫助傷口愈合。然而，如何有效將這些細(xì)胞輸送到目標(biāo)部位，并確保它們?cè)隗w內(nèi)存活和整合，是目前面臨的主要挑戰(zhàn)之一。為釋放細(xì)胞療法的潛力，開(kāi)發(fā)和改進(jìn)生物制造技術(shù)，生產(chǎn)高質(zhì)量的細(xì)胞產(chǎn)品十分關(guān)鍵。傳統(tǒng)的再生細(xì)胞療法通常是將細(xì)胞懸浮在液體中，通過(guò)針頭或?qū)Ч苤苯幼⑷肽繕?biāo)部位。盡管方法簡(jiǎn)單，但臨床效果往往不佳，部分原因是注射的細(xì)胞無(wú)法在目標(biāo)部位存活。為此，能夠更好保持細(xì)胞結(jié)構(gòu)的較大模塊成為一種有前途的替代方案。常見(jiàn)的載體包括可注射的水凝膠、微凝膠和裝載細(xì)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(xì)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(dòng)了無(wú)生物材料、細(xì)胞密集構(gòu)建體的發(fā)展。例如，三維排列的細(xì)胞在一些臨床前研究中表現(xiàn)出一定的成功。

然而，無(wú)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?cè)谧⑸浜髱缀醵际请S機(jī)排列成不規(guī)則的結(jié)構(gòu)。 這對(duì)于許多細(xì)胞治療方案來(lái)說(shuō)也許是可以接受的，但對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，缺乏細(xì)胞組織可能會(huì)被證明是不夠的，因?yàn)樵谶@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(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)、功能和美學(xué)效果。

為了解決這些問(wèn)題，科學(xué)家們開(kāi)發(fā)了精確控制細(xì)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(xiàng)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(xì)胞構(gòu)建體，與目標(biāo)組織的結(jié)構(gòu)相似。

大多數(shù)生物打印依賴(lài)生物材料來(lái)形成組織結(jié)構(gòu)，但現(xiàn)在，科學(xué)家們開(kāi)始將生物打印與不含生物材料的細(xì)胞密集模塊相結(jié)合。這種方法最初是通過(guò)將多細(xì)胞球體排列在圖案針陣列上實(shí)現(xiàn)的，后來(lái)，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(jìn)展使得這些無(wú)生物材料的細(xì)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(xì)胞組成的生物墨水通過(guò)生物打印噴嘴擠壓成純細(xì)胞結(jié)構(gòu)，并將其引入支持性水凝膠中進(jìn)行圖案化。值得注意的是，將純干細(xì)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(shí)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(lèi)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(xì)胞密度非常高，每立方厘米含有數(shù)十億個(gè)細(xì)胞。這種密集排列對(duì)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(xì)胞密集排列使其能夠有效進(jìn)行代謝和解毒；心臟的緊密細(xì)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(guò)生物打印模擬這些高細(xì)胞密度的組織，有望在移植后促進(jìn)細(xì)胞間的相互作用、信號(hào)傳遞和組織整合，顯著提升再生細(xì)胞療法的效果。

目前，結(jié)合無(wú)生物材料且細(xì)胞密度高的生物墨水的生物打印，通常依賴(lài)于臺(tái)式生物打印機(jī)。這意味著組織必須先在體外制造并成熟后，再進(jìn)行移植。為此，原位生物打印技術(shù)應(yīng)運(yùn)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(biāo)部位，精確構(gòu)建與實(shí)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(fēng)險(xiǎn)和簡(jiǎn)化程序，還能提高細(xì)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(chǎng)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(jī)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(jìn)行手繪。此外，還可以通過(guò)編程，利用機(jī)器人驅(qū)動(dòng)的導(dǎo)管式生物打印機(jī)進(jìn)行治療性細(xì)胞生物墨水的精確輸送。目前，部分方法的臨床研究已在計(jì)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(lài)富含細(xì)胞的生物材料生物墨水。不過(guò)，將具有類(lèi)似于原生組織細(xì)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(xì)胞。通過(guò)預(yù)先培養(yǎng)，微凝膠形成了細(xì)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(jī)中。使用機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)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(xì)胞密度的微型組織塊，比隨機(jī)輸送相同密度的微凝膠更有助于加快愈合。

展望未來(lái)

當(dāng)原位生物打印技術(shù)開(kāi)始使用不含生物材料的生物墨水時(shí)，再生醫(yī)學(xué)的潛力將會(huì)得到更大釋放。這是因?yàn)闇p少生物材料的使用，可以讓打印出的高密度細(xì)胞通過(guò)組織成熟形成更強(qiáng)的細(xì)胞間相互作用，并產(chǎn)生類(lèi)似于天然組織的細(xì)胞外基質(zhì)（ECM），這是人工材料難以精確模擬的。此外，當(dāng)干細(xì)胞在適當(dāng)密度下進(jìn)行原位生物打印，模仿早期發(fā)育階段的組織結(jié)構(gòu)時(shí)，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(wú)生物材料、細(xì)胞密集型的生物墨水相結(jié)合并非沒(méi)有挑戰(zhàn)。這種打印需要確保細(xì)胞模塊與周?chē)�組織的微環(huán)境良好結(jié)合，同時(shí)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(jì)考量，例如加入生長(zhǎng)因子以促進(jìn)細(xì)胞間的互動(dòng)，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(jī)可能會(huì)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(jìn)行精確的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，例如，肌肉需要單向排列，肝臟則需要重復(fù)的小葉單元。實(shí)現(xiàn)這種精確結(jié)構(gòu)可能并不容易，可能需要改進(jìn)設(shè)備，甚至引入人工智能驅(qū)動(dòng)的算法。

另一個(gè)值得探索的領(lǐng)域是，在原位生物打印后，通過(guò)添加趨化因子、基因編輯工具或其他生物活性劑來(lái)定向修飾或分化細(xì)胞。這可以通過(guò)使用聚合物納米顆粒、人工干細(xì)胞或細(xì)胞外囊泡來(lái)實(shí)現(xiàn)，控制藥劑釋放，同時(shí)減少外源生物材料的使用。由于這項(xiàng)技術(shù)仍處于早期階段，在實(shí)際應(yīng)用前需要進(jìn)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(wèn)題。