斯坦福大學(xué)《Nature Reviews Bioengineering》類器官生物打印

來源： EngineeringForLife

復(fù)雜人體組織的生物制造再現(xiàn)器官特殊的結(jié)構(gòu)和功能，需要工程控制和內(nèi)在自組裝的結(jié)合。類器官生物打印包括增材制造方法，可以對類器官或類器官形成細(xì)胞的放置進(jìn)行空間控制，以制造多細(xì)胞的3D結(jié)構(gòu)。特別是，生物打印可以用來控制打印細(xì)胞或組織的空間位置，同時(shí)保持組成構(gòu)件的結(jié)構(gòu)和生理學(xué)。在這篇綜述中，美國斯坦福大學(xué)Sarah C. Heilshorn及其團(tuán)隊(duì)討論了生物打印方法和組織工程的新興集成。由于生物打印通常涉及到“材料”油墨的圖案化，本文將細(xì)胞和類器官描述為一種活材料，并討論了如何通過生物制造技術(shù)來操縱這種活材料。本文專注于連續(xù)的生物打印方法，其中球狀體、類器官或類器官形成細(xì)胞組成生物墨水。最后，強(qiáng)調(diào)了生物打印方法和類器官技術(shù)的結(jié)合如何發(fā)展疾病的工程組織模型。

相關(guān)研究內(nèi)容以“Organoid bioprinting: from cells to functional tissues”為題于2024年12月16日發(fā)表在《Nature Reviews Bioengineering》。

本文要點(diǎn)：

（1）類器官是體外模型系統(tǒng)，旨在再現(xiàn)體內(nèi)人體，組織特異性表型。

（2）類器官形成細(xì)胞、類器官、類器官懸浮液和融合的類器官都可以被認(rèn)為是“活材料”，表明它們可以直接用于基于材料的生物制造方法。

（3）類器官生物打印是指增材制造方法，對類器官或類器官形成細(xì)胞的3D排列進(jìn)行空間控制，以增加工程組織的相關(guān)性、再現(xiàn)性和復(fù)雜性。

（4）類器官生物打印在模擬人類開發(fā)和疾病、標(biāo)準(zhǔn)化藥物發(fā)現(xiàn)和臨床使用的人體組織生物制造方面具有潛力。   

圖1 生物材料用于生物打印

通過在細(xì)胞培養(yǎng)基中添加可溶性形態(tài)因子來模擬在體內(nèi)接收到的生態(tài)位信號啟動類器官的形成。雖然類器官通常來源于原代組織干細(xì)胞或多能干細(xì)胞（PSCs），但在某些情況下，它們也可以通過分化細(xì)胞類型的自組織而出現(xiàn)（圖1a）。在制備用于生物打印的預(yù)成型類器官時(shí)，必須考慮幾個(gè)主要因素（圖1b）。首先，被打印的單個(gè)類器官必須在大小和形態(tài)上保持一致，以使復(fù)雜的工程組織能夠進(jìn)行可重復(fù)的生物制造。第二，類器官的生產(chǎn)必須易于擴(kuò)展。第三，在水凝膠基質(zhì)中培養(yǎng)的類器官必須在不影響類器官保真度的情況下釋放。最后，在開發(fā)或選擇一種操縱單個(gè)類器官的生物打印方法時(shí)，必須了解不同的類器官的力學(xué)性能。類器官懸浮液是指液體物質(zhì)中類器官的粘性混合物，類似于膠體懸浮液，其中微觀的不溶性顆粒分散在液體介質(zhì)中（圖1c）。類器官懸浮液的流變特性取決于類器官懸浮密度和周圍流體的力學(xué)性能。多細(xì)胞聚集物的融合是基于差異粘附假說的，該假說認(rèn)為表達(dá)相同粘附分子的細(xì)胞傾向于結(jié)合在一起。雖然最初的融合演示是用球狀體完成的，但“assembloid”一詞用來描述將不同類型的類器官融合成單一的3D結(jié)構(gòu)的過程（圖1d）。   

圖2 類器官生物打印方法

當(dāng)使用器官形成細(xì)胞作為生物墨水時(shí)，利用器官形成細(xì)胞的局部自組織和分化潛能，就會發(fā)生器官形成和融合（圖2a）。例如，生物打印圓柱形的腸干細(xì)胞使細(xì)胞能夠組織成具有空心腔和體內(nèi)樣隱窩和絨毛結(jié)構(gòu)的腸管狀結(jié)構(gòu)。作為一種替代方法，使用PSC聚集體或器官樣結(jié)構(gòu)作為生物墨水，而不是使用單獨(dú)懸浮的細(xì)胞，可以保持每個(gè)自組裝構(gòu)建塊內(nèi)的細(xì)胞密度、細(xì)胞類型多樣性和細(xì)胞結(jié)構(gòu)（圖2b）。在拾取式生物打印中，可以選擇特定、單獨(dú)的類器官或球狀體，然后放置在精確的位置，通常在支撐支架內(nèi)（圖2c）。在體積生物打印中，可光固化油墨被放置在旋轉(zhuǎn)缸中，通過紫外線或可見光交聯(lián)，可見光被一系列所需結(jié)構(gòu)的2D光模式照亮。這使得可以從多個(gè)角度同時(shí)照明整個(gè)體積，從而以體積的方式制造3D結(jié)構(gòu)（圖2d）。犧牲寫入功能組織（SWIFT）使用類器官和ECM材料（基質(zhì)膠和膠原蛋白）的漿液作為支撐浴，其中犧牲墨水可以打印出來創(chuàng)建可灌注通道（圖2e）。  

圖3 在類器官生物打印中的應(yīng)用

類器官在最小的控制下自組織和組裝，產(chǎn)生重復(fù)性有限的異質(zhì)組織。相反，生物打印可以精確控制空間定位，但傳統(tǒng)的生物打印主要依賴于外部模式來組織細(xì)胞，而細(xì)胞自身的自組織能力有限。通過將類器官構(gòu)建塊作為一種可以生物打印的活材料，生物打印的空間精度可以與類器官結(jié)構(gòu)的內(nèi)在自組裝相結(jié)合，發(fā)揮工程控制。一些類器官生物打印方法已經(jīng)取得成功。最終，類器官生物打印在工程復(fù)雜的3D組織方面具有巨大的潛力，從再生醫(yī)學(xué)到基礎(chǔ)研究再到個(gè)性化疾病模型（圖3）。然而，仍有一些發(fā)展空間可以進(jìn)一步擴(kuò)展類器官生物打印的再現(xiàn)性和可擴(kuò)展性，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)組織模擬的復(fù)雜性�？朔�這些挑戰(zhàn)有望進(jìn)一步擴(kuò)大類器官生物打印的實(shí)用性，以促進(jìn)制藥行業(yè)的藥物發(fā)現(xiàn)和發(fā)展。

全文小結(jié)
本綜述將類器官和類器官形成細(xì)胞描述為一種活材料，然后描述類器官構(gòu)建塊作為生物墨水的使用，最后討論可用于類器官生物打印的各種支撐浴。雖然迄今為止，類器官生物打印的例子很少，但許多球形生物打印的基本工程原理與類器官生物打印是相同的。因此，擴(kuò)展了討論，包括球狀體的打印，并描述類器官生物學(xué)和生物打印技術(shù)的最新進(jìn)展，可以在未來一起用于工程復(fù)雜組織。最后，展望了未來可能的發(fā)展方向，以激發(fā)類器官生物打印的進(jìn)一步發(fā)展。

文章來源：
https://doi.org/10.1038/s44222-024-00268-0