《AFM》：通過(guò)環(huán)境控制的3D生物打印組織，有望克服肥胖并發(fā)癥

來(lái)源：材料科學(xué)與工程

脂肪組織是重要的內(nèi)分泌器官,，通過(guò)與其他器官協(xié)調(diào)從而在代謝調(diào)節(jié)中起關(guān)鍵作用,。然而，用完全填充的脂肪生成脂滴重建天然脂肪組織的形態(tài)仍然具有挑戰(zhàn)性,，主要是因?yàn)楫?dāng)前脂肪結(jié)構(gòu)的細(xì)胞密度低導(dǎo)致脂肪生成不成熟,。

來(lái)自韓國(guó)浦項(xiàng)科技大學(xué)和釜山國(guó)立大學(xué)的學(xué)者開(kāi)發(fā)了一種在體外進(jìn)行環(huán)境控制的浴內(nèi)3D生物打印技術(shù)，以創(chuàng)造完全成熟的致密包裝脂肪組織(DPAT),。以1%海藻酸鹽和1.5%脂肪脫細(xì)胞基質(zhì)組成的混合生物墨水作為沐浴懸浮液,，用于細(xì)胞的選擇性和致密增殖。在混合浴懸浮液中,，以高細(xì)胞密度(>107cell ml−1)打印的構(gòu)建體在預(yù)定區(qū)域內(nèi)增殖,，而不會(huì)在整個(gè)浴液中出現(xiàn)不必要的細(xì)胞遷移，從而形成致密的細(xì)胞微環(huán)境,。結(jié)果表明,，成脂4周后，選擇性增殖的前脂肪細(xì)胞可以分化為積脂的成熟脂肪細(xì)胞,。所得到的體內(nèi)的類DPAT在體外成功地進(jìn)行了工作,。DPAT結(jié)構(gòu)顯示了肥胖患者在相關(guān)條件下與肥胖相關(guān)的生理變化。通過(guò)與單核細(xì)胞共培養(yǎng)重現(xiàn)肥胖引起的炎癥脂肪組織,，揭示了所提出的策略作為克服肥胖相關(guān)并發(fā)癥的一種有希望的解決方案的有效性,。相關(guān)文章以“Engineering Densely Packed Adipose Tissue via Environmentally Controlled In-Bath 3D Bioprinting”標(biāo)題發(fā)表在Advanced Functional Materials。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202200203

圖 1.本研究中亮點(diǎn)和工作流程的示意圖。A）脂肪組織的解剖學(xué)及其與幾個(gè)器官的代謝通訊,。B）用于環(huán)境控制浴內(nèi)3D生物打印的概念設(shè)計(jì),，目的是創(chuàng)建DPAT結(jié)構(gòu)。C）DPAT結(jié)構(gòu)工程中涉及的工作流程和時(shí)間表,。

圖 2. 建立混合浴生物墨水配方以指導(dǎo)預(yù)定義區(qū)域的選擇性細(xì)胞增殖,。A) 當(dāng)載有細(xì)胞的生物墨水在環(huán)境受控和不受控制的條件下被擠出時(shí)，浴中 3D 生物打印的示意圖,。本文用流變學(xué)用于確認(rèn) B) Bingham 塑性行為和 C) 四種不同混合生物墨水 (n = 3) 的剪切恢復(fù)特性,。D)顯示藻酸鹽和含Ca2+溶液交聯(lián)后形態(tài)變化的熒光結(jié)果。E) 在第 0 天通過(guò)顯微鏡以直線觀察浴中打印的細(xì)胞結(jié)構(gòu),，并用 DAPI 和 F-肌動(dòng)蛋白染色它們的熒光圖像,，以確認(rèn)初始打印區(qū)域內(nèi)的細(xì)胞密度。F) 細(xì)胞占據(jù)的相對(duì)面積和 G) 將載有前脂肪細(xì)胞的生物墨水?dāng)D出到不同的混合浴生物墨水成分 (n = 3) 中時(shí)的細(xì)胞增殖能力的定量結(jié)果,。

圖 3. 由傳統(tǒng)脂肪組織工程方法和環(huán)境控制的浴內(nèi) 3D 生物打印創(chuàng)建的脂肪組織等效物的形態(tài)學(xué)比較,。A) 實(shí)驗(yàn)組示意圖。B) BODIPY 染色顯示成熟脂肪細(xì)胞的脂滴,。定量結(jié)果顯示 C) 直徑和 D) 每組中每單位面積的成熟脂肪細(xì)胞數(shù) (n = 3),。

圖 4. 對(duì)通過(guò)傳統(tǒng)脂肪組織工程方法和環(huán)境控制的浴內(nèi) 3D 生物打印創(chuàng)建的脂肪組織等效物進(jìn)行定量分析。代表性脂肪因子的分泌水平：A) 脂聯(lián)素和 B) 瘦素 (n = 3),。C) 脂肪生成和脂肪生成相關(guān)基因表達(dá)的 qRT-PCR 結(jié)果 (n = 3),。

圖 5.評(píng)估肥胖誘導(dǎo)的DPAT構(gòu)建體中與體內(nèi)肥胖脂肪組織相關(guān)的病理特征。A）健康和肥胖脂肪組織中胰島素刺激的葡萄糖攝取的改變,。B）在正常血糖（健康）和肥胖誘導(dǎo)（肥胖）條件下培養(yǎng)的DPAT構(gòu)建體的BODIPY結(jié)果,。D）細(xì)胞內(nèi)甘油三酯和E）晚期糖基化終產(chǎn)物積累的定量分析（n = 3）。

圖 6.通過(guò)與單核細(xì)胞共培養(yǎng),，在 DPAT 結(jié)構(gòu)中重現(xiàn)慢性低度脂肪炎癥,。A) 示意圖展示了健康和肥胖脂肪組織中脂肪組織巨噬細(xì)胞的代謝調(diào)節(jié)。B) 示意圖和 C) 使用肥胖DPAT 構(gòu)建體的 透射趨化性實(shí)驗(yàn)的照片,。D) 用 DiI (紅色) 染色的遷移單核細(xì)胞,。從插入物下方的培養(yǎng)基中收集單核細(xì)胞。E) 遷移的單核細(xì)胞數(shù) (n = 3),。F) 抗炎和 G) 促炎細(xì)胞因子的 qRT-PCR 結(jié)果通過(guò)收集四個(gè)細(xì)胞樣本 (n = 3)：1) 由成熟脂肪細(xì)胞組成的健康 DPAT 構(gòu)建體,；2)由成熟的脂肪細(xì)胞和單核細(xì)胞組成的健康單核細(xì)胞；3)由肥胖誘導(dǎo)的成熟脂肪細(xì)胞組成的肥胖DPAT構(gòu)建體,；4)由肥胖誘導(dǎo)的成熟脂肪細(xì)胞和單核細(xì)胞組成的肥胖單核細(xì)胞,。H) 健康單核細(xì)胞和 I) 肥胖單核細(xì)胞的水平橫截面積的免疫熒光圖像。定量分析單位面積（n=3）中J）CD208-和K）CD68陽(yáng)性炎癥細(xì)胞的數(shù)量

總之,，這項(xiàng)研究提出了一種環(huán)境控制的3D生物打印技術(shù),，可以在體外創(chuàng)建形態(tài)和功能上的仿生脂肪組織,。為此，本文基于流變學(xué)和生物學(xué)分析開(kāi)發(fā)了一種用于指導(dǎo)選擇性細(xì)胞增殖的混合生物墨水,。所提出的技術(shù)允許前脂肪細(xì)胞位于預(yù)定義的限制區(qū)域,，并在 28 天后成功地成為由富含脂質(zhì)的成熟脂肪細(xì)胞組成的 DPAT 結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)工程方法產(chǎn)生的相比,，所獲得的 DPAT 構(gòu)建體在大小上與體內(nèi)成熟的脂肪細(xì)胞相似,，并且表現(xiàn)出最高水平的代表性脂肪基因表達(dá)和脂肪因子分泌。進(jìn)一步證明,，DPAT 構(gòu)建體可以通過(guò)脂肪細(xì)胞肥大和增加的胰島素抵抗來(lái)概括與長(zhǎng)期營(yíng)養(yǎng)過(guò)剩下的肥胖相關(guān)的病理變化,。單核細(xì)胞向肥胖的 DPAT 結(jié)構(gòu)遷移并分化為 M1 巨噬細(xì)胞，導(dǎo)致脂肪組織出現(xiàn)慢性炎癥,。當(dāng)單核細(xì)胞共培養(yǎng)時(shí),，它們根據(jù)其駐留狀態(tài)主要分化為 M1 或 M2 巨噬細(xì)胞,。此外,，冠狀結(jié)構(gòu)證明了體外 DPAT 結(jié)構(gòu)中慢性發(fā)炎的脂肪組織的成功再現(xiàn)�,？傮w而言,，本文提出的生物打印策略顯示出作為解決與脂肪組織相關(guān)的幾種并發(fā)癥和疾病的可靠工程平臺(tái)的潛力。未來(lái)的研究應(yīng)包括當(dāng)前 DPAT 結(jié)構(gòu)中的血管化,，以確保營(yíng)養(yǎng)供應(yīng),。