《Science Advances》：3D打印植物細胞助力研究細胞功能

導讀：在三維（3D）環(huán)境中捕捉細胞間信號是研究細胞功能的關鍵。目前培養(yǎng)方法的一個主要挑戰(zhàn)是缺乏對多細胞三維環(huán)境的準確捕捉。



2022年10月，南極熊獲悉，來自北卡羅來納州立大學的研究者們，提出了一種利用 3D 打印機“生物打印”這些細胞來研究不同類型植物細胞之間細胞通訊的可重復方法。通過此方法人們能夠了解植物細胞如何相互交流，以及與環(huán)境如何交流 ，并最終能夠創(chuàng)造更適合作物的生長環(huán)境。他們的研究已經(jīng)發(fā)表在《Science Advances》上，題目為《Establishing a reproducible approach to study cellular functions of plant cells with 3D bioprinting》（《可重復的研究方法：用3D生物打印技術研究植物細胞的細胞功能》）。

在這項研究中，研究人員建立了一個3D生物打印植物細胞的框架，以研究細胞活力、細胞分裂和細胞特性，為生物打印的擬南芥和大豆細胞建立了長期的細胞生存能力。為了分析生成的大型圖像數(shù)據(jù)集，研究人員還開發(fā)了一個高通量的圖像分析方式。結(jié)果表明生物打印細胞的細胞周期的時間與核心細胞周期基因和再生相關基因的誘導相吻合。最后，生物打印的擬南芥根部細胞表達內(nèi)胚層標記的特性保持了較長的時間。研究人員指出，此處建立的框架為使用3D生物打印技術研究細胞重編程和細胞周期重新進入組織再生奠定了基礎。

背景
三維生物打印能夠產(chǎn)生專門設計的三維細胞構造，更好地模擬自然界的平面條件。三維生物打印可以通過應用一種或多種方式進行，以精確地在空間上沉積生物活性材料，稱為生物墨水。為了實現(xiàn)細胞的空間沉積并同時提供結(jié)構支持，植物細胞可以被固定并在大量的水凝膠支架中進行生物打印。因此，三維生物打印提供了一個有利的和可控的系統(tǒng)來制造復雜的系統(tǒng)，以生理上準確的方式捕捉細胞的動態(tài)和相互作用，實現(xiàn)組織再生。例如，人類誘導多能干細胞已經(jīng)被生物打印出來，以研究細胞命運、表型變化和組織再生。 植物本身就表現(xiàn)出極端的再生能力。例如，完全喪失的根部干細胞可以在數(shù)小時內(nèi)被完全替換并發(fā)揮功能。單獨分離的植物細胞的再生能力受細胞類型、組織類型、基因型和特定的三維微環(huán)境的影響很大。因此，為了設計和建造能夠持續(xù)重現(xiàn)細胞反應的三維微環(huán)境，需要有基因型和細胞類型的特定設計。對于這樣的設計，需要考慮機械性能、營養(yǎng)供應、可降解性和組織的模仿性。

實驗及結(jié)論




通過三維生物打印技術，可以通過在一個明確的環(huán)境中沉積活的植物細胞來控制機械條件。此外，為了實現(xiàn)可重復的細胞反應，應考慮生物打印的指標，包括構造尺寸、細胞密度、擠出時的速度和壓力以及噴嘴直徑。研究人員使用擬南芥根部的原生質(zhì)體，即沒有細胞壁的植物細胞，以研究細胞活力、細胞分裂和細胞在可調(diào)整的微環(huán)境中的行為。原生質(zhì)體可以表現(xiàn)出單個細胞行為。具體來說，研究人員將從兩種不同組織類型中分離出來的擬南芥根部細胞進行了長達7天的生物打印。在這個時間范圍內(nèi)，結(jié)果表明，表達內(nèi)胚層標記的分離細胞的百分比增加，表明分離細胞的身份在較長的時間內(nèi)發(fā)生變化。 支持性的是，基因表達譜顯示了干細胞系標志物和再生相關基因的誘導，表明生物打印細胞獲得了類似干細胞的身份。最后，研究人員證明了3D生物打印技術在研究模型和作物物種的分離單細胞再生方面的適用性。

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2022-10-16 13:18 上傳

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