蘇佳燦教授團隊最新《Small》綜述：3D生物打印構(gòu)建關(guān)節(jié)類器官策略與應(yīng)用

來源： EngineeringForLife

骨關(guān)節(jié)炎（OA）是一種長期發(fā)展的疾病,，主要侵襲成年人,，引發(fā)疼痛和功能障礙,，全球大約有三億人受其影響,。OA的核心問題在于軟骨遭受損害,，包括細胞炎癥和細胞外基質(zhì)（ECM）的破壞。由于軟骨組織缺乏血管和神經(jīng),，其自我修復(fù)能力有限,。再加上關(guān)節(jié)軟骨具有獨特的生物學特性和機械結(jié)構(gòu)，使得對其進行重建和修復(fù)成為一項巨大的挑戰(zhàn),。近年來,，類器官技術(shù)成為軟骨修復(fù)的新興策略之一。類器官是由體外培養(yǎng)的干細胞構(gòu)建的三維（3D）組織結(jié)構(gòu),，能夠模擬相應(yīng)器官的組織和功能,，為研究和開發(fā)提供了生理學相關(guān)的平臺。構(gòu)建關(guān)節(jié)類器官有助于模擬關(guān)節(jié)內(nèi)的微環(huán)境,，創(chuàng)建骨關(guān)節(jié)炎和類風濕關(guān)節(jié)炎等疾病模型,，同時也可用于測試關(guān)節(jié)植入物的藥物篩選和生物材料評價。

由于軟骨代謝機制的復(fù)雜性以及對機械強度的高需求,，與其他軟組織的類器官相比,，關(guān)節(jié)類器官的研究周期更長且具有挑戰(zhàn)性。因此,，目前對于關(guān)節(jié)類器官構(gòu)建的研究仍然相對有限,，仍是一個充滿挑戰(zhàn)的研究領(lǐng)域。近年來,，3D生物打印和再生醫(yī)學的發(fā)展為解決這些挑戰(zhàn)提供了新的機會,。3D生物打印具有高通量、高精度和自動化等優(yōu)勢,，可以制造具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的關(guān)節(jié)類器官,，更好地模擬真實關(guān)節(jié)的微環(huán)境。

近期,，上海交通大學新華醫(yī)院/上海大學轉(zhuǎn)化醫(yī)學研究院蘇佳燦教授團隊從3D建模,、打印方式、生物墨水和培養(yǎng)條件四方面總結(jié)了構(gòu)建關(guān)節(jié)類器官的方法,。他們特別強調(diào)了3D生物打印在這一領(lǐng)域的相關(guān)研究,，提出了關(guān)節(jié)類器官構(gòu)建的階段性策略，為該領(lǐng)域的研究提供了新的思路,。該綜述文章以"Small joint organoids 3D bioprinting: Construction strategy and application"為題,，發(fā)表在《Small》期刊。蘇佳燦教授,、上海大學任肖湘助理研究員與西安紅會醫(yī)院周鳳金教授為文章的共同通訊作者,。

1. 關(guān)節(jié)組織的生物學結(jié)構(gòu)
以膝關(guān)節(jié)為代表的關(guān)節(jié)在解剖學上通常分為三個組成部分:關(guān)節(jié)面、關(guān)節(jié)囊和關(guān)節(jié)腔,。關(guān)節(jié)面是關(guān)節(jié)頭與關(guān)節(jié)窩相鄰的表面,，由關(guān)節(jié)軟骨覆蓋。關(guān)節(jié)囊具有外纖維層和產(chǎn)生滑液的內(nèi)滑液層,，可以幫助減少摩擦,。髕下脂肪墊將關(guān)節(jié)囊的纖維層與滑膜層分開，并將后者推向關(guān)節(jié)軟骨表面。關(guān)節(jié)腔是由關(guān)節(jié)軟骨和關(guān)節(jié)囊包圍的狹窄空間,。軟骨退變是許多關(guān)節(jié)疾病的共同特征,，但組織的相互關(guān)聯(lián)性不可避免地導致其他關(guān)節(jié)成分的致病性改變，如滑膜炎,、髕下脂肪墊炎癥或軟骨下骨重塑,。因此，作者也重點討論了關(guān)節(jié)軟骨,、滑膜和髕下脂肪墊等三個部分,，其中關(guān)節(jié)軟骨可以分為透明軟骨、鈣化軟骨和軟骨下骨,。它們是關(guān)節(jié)的基本組成部分,，對關(guān)節(jié)的健康和功能起著至關(guān)重要的作用。

圖1 關(guān)節(jié)的生理學結(jié)構(gòu)

2. 3D打印技術(shù)

(1) 噴墨打印
3D噴墨打印是一種與傳統(tǒng)噴墨打印機原理相同的方法,，利用聲波或熱量來制造生物材料的液滴,，從而形成所需的形狀。這種技術(shù)可分為兩類,，聲學噴墨打印和熱敏噴墨打印,。聲學噴墨打印機的主要優(yōu)點是它避免了對生物材料使用熱量和壓力，減少了噴嘴堵塞的可能性,。然而,，可以打印材料的粘度是有限的。熱噴墨打印機的優(yōu)點,，如打印速度快,，易于控制和廣泛的適用性。

(2) 擠壓式打印
基于擠壓的打印是一種常見的3D生物打印方法,，允許打印具有不同粘度和高密度聚合物的各種水凝膠聚合物溶液,。這種印刷技術(shù)使用柱塞、旋轉(zhuǎn)或氣動壓力將材料擠出噴嘴,。與其他方法相比,，機械驅(qū)動的方法提供了更好的流量調(diào)節(jié)，從而提高了打印精度,。但是擠壓壓力太大會對細胞活性產(chǎn)生負面影響,。

(3) 激光輔助打印
激光輔助生物打印使用雙層結(jié)構(gòu)，可以對激光刺激做出反應(yīng),。它由上面的能量吸收層和下面的生物墨水溶液層組成,。激光脈沖聚焦在吸收層上，導致下層形成高壓液體氣泡,。然后將混合了細胞的生物墨水噴射到打印平面上,。激光輔助打印種細胞更加活躍,，并且具有非常高的打印分辨率，甚至可以打印單個細胞,。然而,，由于高精度激光器的高成本，這些打印機并沒有廣泛應(yīng)用于實驗室,。

(4) 光固化打印
光固化打印是一種廣泛使用的3D打印方式，特別是在軟骨和骨修復(fù)領(lǐng)域,。這些打印方式利用光誘導聚合從一桶樹脂中制造出三維結(jié)構(gòu),。它可以分為幾種不同類型的光固化3D打印技術(shù)，如立體光刻技術(shù)(SLA),，數(shù)字光處理(DLP)和液晶顯示技術(shù)(LCD),，每一個都有自己獨特的特點。與其他打印方法相比,，光固化生物打印相對較快,，并且細胞存活率高，因為在打印過程中不需要對材料施加機械力,。

圖2 四種不同的打印方式

圖3 幾種不同的生物墨水

表1 幾種不同生物墨水的優(yōu)缺點和應(yīng)用

3. 生物3D打印關(guān)節(jié)類器官的構(gòu)建策略
關(guān)節(jié)是由多種組織組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu),，包括髕下脂肪墊、肌腱,、韌帶和半月板,。然而，構(gòu)建一個完整的關(guān)節(jié)類器官來模擬關(guān)節(jié)各部分的動態(tài)環(huán)境是一個挑戰(zhàn),。因此,，提出的策略主要集中在模擬關(guān)節(jié)軟骨和軟骨下骨的體內(nèi)微環(huán)境。在本文中,，作者提出了構(gòu)建關(guān)節(jié)類器官的三部曲,，包括構(gòu)建基礎(chǔ)關(guān)節(jié)類器官策略、結(jié)構(gòu)化關(guān)節(jié)類器官策略和功能化關(guān)節(jié)類器官策略,。

圖4 生物3D打印關(guān)節(jié)類器官的構(gòu)建策略

4. 生物打印關(guān)節(jié)類器官的應(yīng)用
類器官有可能徹底改變關(guān)節(jié)疾病的研究及其治療,。傳統(tǒng)的2D和3D細胞培養(yǎng)模型缺乏體內(nèi)關(guān)節(jié)組織的復(fù)雜性和生理相關(guān)性，相比之下,，類器官提供了一種在器官水平上模擬關(guān)節(jié)病理的實驗上更可行的方法,。動物模型提供了現(xiàn)實的微環(huán)境，但也引起了倫理問題,。類器官技術(shù)的出現(xiàn)提供了一個有希望的替代方案,，提供了一種在器官水平上模擬關(guān)節(jié)病理的實驗上更可行的方法。此外,，關(guān)節(jié)類器官在關(guān)節(jié)修復(fù)方面也具有廣闊的應(yīng)用前景,。關(guān)節(jié)類器官在關(guān)節(jié)修復(fù)中的一個很有前景的應(yīng)用是能夠改造和再生軟骨組織,。由患者來源的組織構(gòu)建的類器官可以通過確定每個患者的最佳藥物來實現(xiàn)個性化醫(yī)療。就像藥物測試一樣,，關(guān)節(jié)類器官可以用來評估各種植入材料的功效,，包括醫(yī)用金屬、陶瓷和聚合物,。這對于開發(fā)可用于治療關(guān)節(jié)疾病和損傷的新型植入材料尤為重要,。

圖5 關(guān)節(jié)類器官的應(yīng)用

5. 總結(jié)和展望
構(gòu)建關(guān)節(jié)類器官是一個復(fù)雜的過程，需要考慮多種細胞類型,、生物材料組合和生長因子調(diào)節(jié),。關(guān)節(jié)類器官的可重復(fù)性和穩(wěn)定性仍然需要改進，如干細胞定向分化,、血管化和免疫等挑戰(zhàn)是關(guān)鍵問題,。盡管存在這些挑戰(zhàn)，3D生物打印和干細胞研究在構(gòu)建關(guān)節(jié)類器官方面具有巨大的潛力,。我們相信3D生物打印作為一種新方法將為關(guān)節(jié)組織建模和關(guān)節(jié)疾病治療提供很多機會,。

文章來源：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202302506