Nature Materials | 新型類器官打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)大尺寸組織構(gòu)建

來源：上普生物

瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Matthias P. Lutolf課題組近期在Nature Materials發(fā)表“Recapitulating macro-scale tissue self-organization through organoidbioprinting”（該組剛發(fā)了一篇腸道類器官構(gòu)建的Nature）。介紹了一種新型類器官打印技術(shù)方法,，該方法結(jié)合了類器官制造技術(shù)和生物3D打印技術(shù)的優(yōu)勢，并成功構(gòu)建了高度仿生的厘米尺度的組織,，包括管狀結(jié)構(gòu),，分支血管和管狀小腸上皮體內(nèi)樣隱窩和絨毛域等，為藥物發(fā)現(xiàn)和再生醫(yī)學(xué)研究提供了新的技術(shù)手段,。

類器官和生物3D打印
類器官構(gòu)建技術(shù)的優(yōu)勢和局限（organoid）：在體內(nèi),，組織形成嚴(yán)重依賴于嚴(yán)格調(diào)節(jié)的形態(tài)發(fā)生程序，允許細(xì)胞群在局部相互作用并自我組織,。這些局部之間的迭代交互發(fā)育中的組織單位指導(dǎo)細(xì)胞分化和模式形成的連續(xù)周期,，從而建立了大規(guī)模生物學(xué)上的復(fù)雜性。由于其獨(dú)特的自組織潛力,，干細(xì)胞衍生的類器官是有希望構(gòu)建出工程方法無法比擬的組織結(jié)構(gòu)和細(xì)胞類型組成的局部特征,。但是，由于類器官難以生長到毫米級以上,，因此它們?nèi)狈�體內(nèi)器官的大尺寸結(jié)構(gòu)特征,，難以實(shí)現(xiàn)更高級別的器官功能響應(yīng)，限制了類器官技術(shù)在體外仿生模型和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展,。

生物3D打印技術(shù)的優(yōu)勢和局限（bioprinting）：生物3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞和生物材料的精準(zhǔn)空間排列,，易于快速構(gòu)建大尺寸（厘米級）含細(xì)胞外基質(zhì)的仿生組織結(jié)構(gòu)。雖然現(xiàn)在有了越來越多種的細(xì)胞打印技術(shù),，但其一直存在兩個(gè)限制,，1）超高濃度細(xì)胞三維打印，2）工程排列的細(xì)胞缺乏細(xì)胞分化和自組織的特征等,。

生物3D打印技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的一種,，并不是和類器官構(gòu)建相排斥的技術(shù)，因此,，將類器官制造技術(shù)和生物3D打印技術(shù)的優(yōu)勢相結(jié)合,，有望構(gòu)建出厘米級在高度仿生的微組織。

BATE打印技術(shù)
研究者創(chuàng)新性的提出了BATE打印技術(shù)（termed bioprinting-assisted tissue emergence),，使用干細(xì)胞和類器官作為自發(fā)的自組織構(gòu)建單元,，這些構(gòu)建單元可以在空間上排列以形成相互連接且不斷進(jìn)化的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。

令人嘆服的是研究者逆天的動(dòng)手能力：將一個(gè)微擠出系統(tǒng)和顯微鏡（自帶三維運(yùn)動(dòng)臺(tái)）相結(jié)合,，構(gòu)建了一個(gè)自帶顯微圖像實(shí)時(shí)觀察的打印系統(tǒng),，并腦洞打開的提出了未來可基于自動(dòng)顯微鏡實(shí)現(xiàn)時(shí)空結(jié)合的生物3D打印,，即打印第一種組織，并培養(yǎng)發(fā)育出一定的功能和形態(tài)后,，再基于顯微成像,，放回打印機(jī)在第一種組織周邊打印第二種組織，在空間和時(shí)間上都精準(zhǔn)控制組織的發(fā)育,。

圖1. 顯微鏡生物3D打印機(jī)

含有超高密度細(xì)胞的高活性生物墨水
研究者采用了類器官構(gòu)建技術(shù)常用且生物活性非常好的膠原和Matrigel作為墨水材料,，這些材料來源于天然組織，生物活性好,，強(qiáng)度低,，不會(huì)阻礙干細(xì)胞后續(xù)的自組織發(fā)育。通過優(yōu)化墨水參數(shù)和打印參數(shù),，BATE技術(shù)可實(shí)現(xiàn)超高細(xì)胞密度墨水的打印(每毫升10^8 個(gè)細(xì)胞),，并保持良好的細(xì)胞活性。
BATE方法在人類組織原代細(xì)胞大規(guī)模類器官或自組織構(gòu)建方面具有廣泛適用性,，研究人員打印了三種具有已知自組織（或自組裝）潛能的細(xì)胞類型（hISC,，hMSC和HUVEC），并通過培養(yǎng)控制細(xì)胞自組織的特定局部相互作用可以形成特定結(jié)構(gòu)的上皮管,、結(jié)締組織和血管網(wǎng)絡(luò),，符合這些細(xì)胞原本的組織特征。

圖2. 不同細(xì)胞的打印和自組織發(fā)展

類腸道組織的構(gòu)建
在宏觀尺度上重建復(fù)雜的圖案化組織,，這需要對幾何學(xué),，細(xì)胞間相互作用，ECM組成和動(dòng)力學(xué)以及關(guān)鍵可溶性因子的存在進(jìn)行精確控制（圖3a）,。小鼠腸道干細(xì)胞（mISC）在Matrigel中培養(yǎng)并添加確定的生長因子混合物（EGF,，Noggin和R-spondin（ENR））時(shí)，會(huì)形成帶有隱窩和類絨毛狀隔室的類器官,，類似于該動(dòng)物的體內(nèi)小腸上皮,。研究者基于此，3D打印了mISC的密集線,，并用以模擬宏觀的腸道,，通過后續(xù)的培養(yǎng)和細(xì)胞的自組織發(fā)育，該打印的結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出高度仿生的腸道組織特征,。這些數(shù)據(jù)表明,，BATE可以在厘米尺度上可靠地復(fù)制復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)和圖案，并產(chǎn)生高度生理性和工程組織相關(guān)性,，類似于體內(nèi)組織的表型和功能。

圖3. 宏觀腸道打印

圖4. 宏觀腸道功能表征

多細(xì)胞復(fù)雜組織打印
BATE同樣可以實(shí)現(xiàn)多細(xì)胞的打印,，研究者嘗試了ISC和IMC的打印和共培養(yǎng),，并展現(xiàn)出具有顯著時(shí)空排列的多組織特征,，滿足類器官培養(yǎng)中多種組織或器官整合的需求。

圖5. 共培養(yǎng)打印

總結(jié)
與現(xiàn)有的生物打印技術(shù)相比,，BATE可在不同規(guī)模上指導(dǎo)組織形態(tài)發(fā)生,，為復(fù)雜的自組織過程提供必要的環(huán)境，可以將干細(xì)胞之類的易碎細(xì)胞直接打印在Matrigel中,，并自組織成復(fù)雜的幾何形狀,。BATE還可以減少打印時(shí)間和幾何復(fù)雜性。因此,，將類器官制造技術(shù)和生物3D打印技術(shù)相結(jié)合的BATE技術(shù),，可以構(gòu)建高度仿生的厘米尺度的組織，未來可為干細(xì)胞和再生醫(yī)學(xué)提供新的方法,，為工程化自組織（Self-organization）功能化組織甚至多種組織組合提供了強(qiáng)大的工具,。

參考文獻(xiàn)
Brassard, J.A., Nikolaev, M., Hübscher, T. et al. Recapitulating macro-scale tissue self-organization through organoid bioprinting. Nat. Mater. (2020). https://doi.org/10.1038/s41563-020-00803-5