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加州大學(xué)圣地亞哥分校陳紹琛團(tuán)隊(duì)Sci.Adv.:高細(xì)胞密度,、高精度3D生物打�,�,!

科研前沿
2023
03/07
09:55
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評(píng)論
來(lái)源:高分子科學(xué)前沿

科幻小說(shuō)里常常暢想未來(lái)將擁有發(fā)達(dá)的醫(yī)療技術(shù),,即使一個(gè)人因?yàn)橐馔饣蚣膊?dǎo)致器官損壞,,也可以立即移植上一個(gè)新的器官并恢復(fù)健康,。而在現(xiàn)實(shí)中,器官移植始終受限于供體短缺的問(wèn)題,,很多需要器官移植的患者在等待器官供體的過(guò)程中耗盡了生命,。即使幸運(yùn)地得到了器官移植,免疫排斥反應(yīng)也始終是懸在患者頭頂?shù)倪_(dá)摩克利斯之劍,。

今天,,科學(xué)家們正在研究生物3D打印技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)是使用模擬細(xì)胞間質(zhì)的生物材料和生物活細(xì)胞作為原料,以生物組織和器官為藍(lán)圖,,制造“活”的人造組織和器官的技術(shù),。人造組織和器官現(xiàn)已應(yīng)用于測(cè)試藥物的安全性和有效性,尤其是,,使用患者自身病變部位的細(xì)胞制造的人造組織和器官在判斷藥物和療法對(duì)該患者的療效方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì),。在未來(lái),人造組織和器官也可以用于輔助組織再生或器官移植,,既避免了供體不足的問(wèn)題,,也因使用患者自身細(xì)胞制造器官?gòu)亩粫?huì)造成免疫排斥反應(yīng)。

盡管未來(lái)可期,,這項(xiàng)技術(shù)目前還面臨著很多挑戰(zhàn),。比如說(shuō),目前人造組織內(nèi)含有的細(xì)胞密度比真實(shí)的動(dòng)物器官的細(xì)胞密度低2個(gè)數(shù)量級(jí)以上,。還有,,目前的加工技術(shù)的分辨率還難以在高細(xì)胞密度的人造組織內(nèi)加工出血管網(wǎng)絡(luò)來(lái)。

如果把器官比作一個(gè)城市的話,,那么一個(gè)健康的器官就像一個(gè)大都會(huì),,可以高效地產(chǎn)出產(chǎn)品和服務(wù)。一旦人口密度低于一定的閾值,,那么信息交流和物質(zhì)運(yùn)輸將被阻斷,,該地區(qū)的每一個(gè)人都只顧得上自己的生存而無(wú)法對(duì)外提供產(chǎn)品和服務(wù)。而血管就像城市的道路,,缺少了血管網(wǎng)絡(luò),,居民必須的供給將得不到供應(yīng),整座城市會(huì)陷入饑荒,�,?梢�(jiàn),一個(gè)低細(xì)胞密度,、缺少血管網(wǎng)絡(luò)的人造組織或器官難以精確地模擬正常的器官對(duì)于藥物的反應(yīng),更無(wú)法用于器官移植,。

加州大學(xué)圣地亞哥分校的陳紹琛團(tuán)隊(duì)最近研發(fā)了一種新技術(shù),,使得加工高細(xì)胞密度、具有血管網(wǎng)絡(luò)的人造組織或器官成為可能,。研究者分析了基于光固化的生物3D打印技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)高細(xì)胞密度,、高分辨率加工的原因,認(rèn)為細(xì)胞導(dǎo)致的光的散射是主要因素,。因此,,研究者使用一種生物兼容性極好的添加劑(iodixanol)來(lái)調(diào)節(jié)生物材料的折射率,使其與細(xì)胞質(zhì)的折射率一致,從而將散射大幅削減到原有水平的十分之一,。

圖:生物材料折射率調(diào)整前(上)和調(diào)整后(下)的散射效果對(duì)比,。

順利解決了散射問(wèn)題后,研究者證明了在高細(xì)胞密度下(僅比真實(shí)的動(dòng)物器官的細(xì)胞密度低1個(gè)數(shù)量級(jí))該技術(shù)可以達(dá)到50微米的加工分辨率,。隨后,,研究者加工出了一個(gè)具有血管網(wǎng)絡(luò)的人造組織并進(jìn)行灌流培養(yǎng)。培養(yǎng)14天后,,免疫熒光染色的圖像表明,,該組織內(nèi)不但在預(yù)先加工出的血管網(wǎng)絡(luò)里發(fā)生了內(nèi)皮化,而且在原本沒(méi)有加工血管的地方發(fā)生了血管新生,,表明了該人造組織是健康的,。

圖:含可灌流的血管網(wǎng)絡(luò)的人造組織。

該工作已以High Cell Density and High Resolution 3D Bioprinting for Fabricating Vascularized Tissues為標(biāo)題發(fā)表在Science Advances上(DOI: 10.1126/sciadv.ade7923),。


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