水凝膠中“長出”微型器官，倫敦大學(xué)科學(xué)家使用 3D 生物打印了解癌癥傳播途徑

2023年6月12日,，南極熊獲悉,，來自倫敦大學(xué)學(xué)院（UCL）大奧蒙德街醫(yī)院和帕多瓦大學(xué)的科學(xué)家展示了如何通過生物3D 打印技術(shù)實現(xiàn)在水凝膠中“生長出”微型器官，這有助于更好地了解癌癥如何通過不同組織擴(kuò)散,。這項新技術(shù)可以幫助控制微型器官的形狀和活動,，甚至可以迫使組織長成“模具”。據(jù) UCL 稱,，研究團(tuán)隊希望通過這種方式能夠制作出更逼真的器官和疾病模型,，并更準(zhǔn)確地研究細(xì)胞和器官。

相關(guān)研究以題為“Hydrogel-in-hydrogel live bioprintingfor guidance and control of organoids and organotypic cultures/用于指導(dǎo)和控制類器官和器官型培養(yǎng)物的水凝膠包水凝膠活體生物打印”的論文被發(fā)表在《Nature Communications》期刊上,，由AnnaUrciuolo, Giovanni Giuseppe Giobbe等人撰寫,。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-37953-4#Ack1

類器官科學(xué)是扎耶德研究中心（倫敦大學(xué)學(xué)院大奧蒙德街兒童健康研究所和大奧蒙德街醫(yī)院的合作伙伴）的專業(yè)研究領(lǐng)域之一。它涉及創(chuàng)建微型版本的器官,，例如胃,、腸和肺,。然而,，組織幾乎總是以不受控制的方式生長，并不代表自然器官的復(fù)雜結(jié)構(gòu),。這一點(diǎn)尤為重要,，因為器官的形狀和結(jié)構(gòu)與其細(xì)胞構(gòu)成一樣重要。

這項發(fā)表在《自然》雜志上的新研究首次展示了科學(xué)家如何在預(yù)先存在的凝膠中創(chuàng)建固體結(jié)構(gòu)并實時固化出特定的形狀,，這一切都要?dú)w功于高分辨率顯微鏡,。這意味著生長中的微型器官或整個類器官中的任何細(xì)胞都將以特定方式生長。

圖 1水凝膠打印的性能

圖 2 水凝膠中水凝膠實時生物打印的時間控制和 oSpCs 的受控軸突引導(dǎo)

圖 3 用于研究類器官 3D 培養(yǎng)物中癌細(xì)胞遷移的水凝膠活生物打印

圖 4 通過水凝膠水凝膠活體打印超類器官驅(qū)動腸道類器官形態(tài)發(fā)生

圖 5水凝膠中水凝膠活生物打印對類器官和器官型培養(yǎng)物施加的 3D 幾何約束

例如,，為了研究癌癥如何穿過不同硬度和密度的組織,，該團(tuán)隊在癌細(xì)胞周圍創(chuàng)建了硬化凝膠籠，并監(jiān)測它們的運(yùn)動如何根據(jù)周圍環(huán)境的密度而變化——這是了解癌癥擴(kuò)散的一個重要過程,。

通過創(chuàng)建更好的疾病模型,，研究人員希望未來的研究更加可靠，產(chǎn)生質(zhì)量更好的結(jié)果,，并最終減少動物研究,。

研究團(tuán)隊現(xiàn)在計劃使用生物打印技術(shù)來重建器官，以及研究當(dāng)器官不能正常生長時其功能會發(fā)生什么變化,，例如在懷孕早期出現(xiàn)的許多畸形,。這項工作還可以通過在活體器官中輸送生物學(xué)上準(zhǔn)確的“補(bǔ)丁”來進(jìn)行治療。

這項研究的共同主要作者,、倫敦大學(xué)學(xué)院大奧蒙德兒童街的 Giovanni Giobbe 博士說：“由于我們對聚合物凝膠進(jìn)行了微小而復(fù)雜的調(diào)整,，看到這些精確的結(jié)構(gòu)開始在我們眼前形成,，真是太神奇了。我們真的很高興看到這項成果可以幫助我們進(jìn)一步了解人類疾病,，甚至有朝一日可以應(yīng)用到臨床治療上,。”

為了探索生物打印技術(shù)的用途,，研究團(tuán)隊將該方法應(yīng)用于幾種不同的情況,。例如，為了研究神經(jīng)元,，類器官研究傳統(tǒng)上會產(chǎn)生無法分離和研究的無序神經(jīng)元束,。然而，這項技術(shù)允許該團(tuán)隊為神經(jīng)元創(chuàng)造硬化的凝膠“軌道”來沿著它生長,，就像競賽游泳池的泳道一樣,。

同時，為了確保微觀腸道的形狀與“真實”發(fā)育中的腸道相同,，研究團(tuán)隊創(chuàng)建了一個復(fù)雜的水凝膠模具,，該模具可引導(dǎo)類器官形成模仿正在發(fā)育的腸道復(fù)雜結(jié)構(gòu)（稱為“隱窩”和“絨毛”）的形狀。同樣,，科學(xué)家們能夠設(shè)計一種水凝膠來促進(jìn)肺細(xì)胞產(chǎn)生分支,，就像它們在真實肺中所做的那樣。

NIHR GOSH BRC 組織與工程和再生醫(yī)學(xué)主題的負(fù)責(zé)人,、倫敦大學(xué)學(xué)院大奧蒙德街兒童健康研究所的 Paolo De Coppi 教授（他是 GOSH 的兒科外科醫(yī)生,，也是合作伙伴）說：“這項工作是一個很好的例子，說明我們?nèi)绾螌⒖鐚W(xué)科的國際團(tuán)隊聚集在一起,，以改進(jìn)我們的研究并使患者受益,。在英國專門從事類器官研究的 GOSH 和 UCL 團(tuán)隊，與專門從事凝膠打印設(shè)計和應(yīng)用的意大利團(tuán)隊合作,，使這項具有重大意義的研究成果得以實現(xiàn),。這將對基于實驗室的研究產(chǎn)生影響，以提高我們對疾病的理解,，甚至也有可能應(yīng)用到臨床和治療,。”

這項工作的下一步將是研究這些受控,、模制和定向的微型器官,，以更好地了解它們?nèi)绾文７麦w內(nèi)的真實器官和狀況。

來自帕多瓦大學(xué)的,、兒科研究所神經(jīng)肌肉工程實驗室的負(fù)責(zé)人Anna Uriuolo 博士說：“這項工作是生物醫(yī)學(xué)研究中正在爆發(fā)的多學(xué)科方法的進(jìn)步的一個典范,。在實驗室中復(fù)制器官模型的能力，以及幫助科學(xué)家在實驗臺上再現(xiàn)健康和疾病組織和器官復(fù)雜性技術(shù)的發(fā)展,，是推動未來醫(yī)學(xué)發(fā)展的開始,�,！�

這項工作得到了帕多瓦大學(xué)2017年STARS-WiC資助、帕多瓦大學(xué)Progetti di Eccellenza CaRiPaRo,、TWINNING,、Oak Foundation Award、AFM Telethon,、意大利威尼托大區(qū)'Consorzio per la Ricerca Sanitaria'（CORIS）（LifeLab Program）,、歐洲研究委員會（ERC，RerOids）對N.E.的資助,、 以及帕多瓦大學(xué)2017年STARS啟動資金和IRP鞏固者給A.U.,、NIHR GOSH生物醫(yī)學(xué)研究中心和GOSH兒童慈善機(jī)構(gòu)的撥款資助。