3D打印組織模型：從水凝膠到生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用

來(lái)源： GK綠鑰生物科技

米蘭比可卡大學(xué)生物技術(shù)與生物科學(xué)系Laura Russo教授團(tuán)隊(duì)在《Journal of Controlled Release》期刊發(fā)表綜述“3D printed tissue models: From hydrogels to biomedical applications”文章簡(jiǎn)要介紹了細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的形態(tài)和生化特性對(duì)于開(kāi)發(fā)類(lèi)似于人體器官和組織結(jié)構(gòu)和功能特性的新型先進(jìn)結(jié)構(gòu)的重要性,。作者描述了ECM在不同組織,、器官,、健康和病理狀態(tài)下的形態(tài)和生化特性如何變化,，以及如何通過(guò)生物打印生成具有所需特性的ECM模擬物。作者介紹了3D打印過(guò)程中生物墨水水凝膠的天然和合成的聚合物材料,，特別介紹了它們的功能化與對(duì)生物信號(hào)分子交聯(lián)和共軛的效果,，以指導(dǎo)開(kāi)發(fā)生物響應(yīng)和生物指導(dǎo)ECM模擬物。

生物3D打印的出現(xiàn)為組織工程和體外先進(jìn)組織模型開(kāi)辟了新的機(jī)會(huì),。生產(chǎn)先進(jìn)3D組織模型的難點(diǎn)在于合成適合的生物墨水,。同時(shí)生物墨水能夠提供誘導(dǎo)不同細(xì)胞產(chǎn)生新基質(zhì)的信號(hào)，理想地再現(xiàn)特定體內(nèi)細(xì)胞環(huán)境,。事實(shí)上,，用于開(kāi)發(fā)油墨和生物墨水的傳統(tǒng)方法主要集中在控制水凝膠的物理性質(zhì)上，而忽略了水凝膠材料對(duì)生化信號(hào)的影響,。

在腫瘤微環(huán)境（TME）中,， ECM的機(jī)械特性和結(jié)構(gòu)與腫瘤惡性腫瘤和轉(zhuǎn)移潛力密切相關(guān)。在組織纖維化中ECM成分的異常沉積是主要驅(qū)動(dòng)因素之一,。ECM的剛度對(duì)機(jī)械誘導(dǎo)途徑的影響已經(jīng)有大量的研究,。一些研究強(qiáng)調(diào)了物理性質(zhì)在驅(qū)動(dòng)細(xì)胞粘附、組織,、代謝和信號(hào)傳導(dǎo)方面的重要性,。機(jī)械誘導(dǎo)過(guò)程是研究最多的ECM-細(xì)胞相互作用機(jī)制之一，受細(xì)胞表面整合素調(diào)控,。它是一種動(dòng)態(tài)機(jī)制,，通過(guò)對(duì)沉積速率和特性的精細(xì)控制來(lái)調(diào)節(jié)新合成的ECM組分。ECM在維持組織穩(wěn)態(tài)或誘導(dǎo)病理狀況方面也通過(guò)其他機(jī)制（如細(xì)胞受體相互作用）控制,。蛋白聚糖,、酶、生長(zhǎng)因子和多種生物大分子誘導(dǎo)信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng),，其調(diào)節(jié)作用如表1所示,。

表1 具有調(diào)節(jié)作用的主要生物分子

ECM重塑是一種動(dòng)態(tài)機(jī)制，它允許不同的細(xì)胞群在更合適的微環(huán)境中存活并發(fā)揮其功能,。細(xì)胞群包括干細(xì)胞和分化細(xì)胞,、免疫系統(tǒng)細(xì)胞。當(dāng)這些成分的生理相互作用或重塑變得異常時(shí),，就會(huì)發(fā)生慢性或急性病理現(xiàn)象,。ECM特性不僅僅是特定組織階段的結(jié)果，而且在組織形態(tài)發(fā)生的進(jìn)展和功能的維持中起著關(guān)鍵作用,。
表2報(bào)告了與不同病理相關(guān)的ECM特征示例,。生成人造組織的生物3D打印結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須從ECM在不同器官、生理和病理狀態(tài)下的特性中找到規(guī)律。

表2 病理?xiàng)l件下ECM調(diào)節(jié)的例子

作者認(rèn)為用于開(kāi)發(fā) 3D 生物打印模型的細(xì)胞友好型聚合物的選擇取決于它們與不同細(xì)胞群的相容性,。隨著3D打印工藝和儀器的進(jìn)步,，大量基于天然和合成聚合物的生物墨水也被重新分類(lèi)、定義和標(biāo)準(zhǔn)化,。聚合物的分類(lèi)主要包括天然聚合物和合成聚合物,。

圖2 用于配制油墨和生物油墨的天然（多糖和蛋白質(zhì)）和合成聚合物的選定實(shí)例

天然聚合物和合成聚合物具有不同的特性、優(yōu)點(diǎn)和局限性,。天然聚合物的優(yōu)勢(shì)在于其天然的生物相容性,，而合成聚合物缺乏細(xì)胞命運(yùn)調(diào)節(jié)所需的生物分子基序，但提供了對(duì)機(jī)械和結(jié)構(gòu)特性的改進(jìn)控制,。研究人員將天然和合成聚合物結(jié)合開(kāi)發(fā)了多種用于生物打印的混合型生物墨水,，可適用于打印生成具有可定制形態(tài)和細(xì)胞特異性的三維ECM模擬物。

在生物打印方法中,，細(xì)胞群或類(lèi)器官在打印過(guò)程之前、期間或之后包埋在水凝膠或水凝膠前體中,。在生物打印過(guò)程中必須保證細(xì)胞活力,，另一方面，墨水中殘留細(xì)胞的存在會(huì)影響生物墨水的打印性,，并最終影響構(gòu)建體的結(jié)構(gòu)保真度,。

圖3 生物墨水與普通打印墨水

作者介紹了生物可打印聚合物的物理和化學(xué)交聯(lián)。生物3D打印結(jié)構(gòu)是使用能夠產(chǎn)生物理交聯(lián)的生物墨水生成的,，定義為“物理水凝膠”,。物理水凝膠是由通過(guò)不同相互作用相互連接的聚合物獲得的，包括離子和疏水相互作用或熱轉(zhuǎn)變,，最近,，人們探索了自組裝肽作為生物相容性生物墨水，可以輕松通過(guò)控制pH值或添加二價(jià)離子形成物理交聯(lián),。即使物理水凝膠在易于制備構(gòu)建體方面具有明顯的優(yōu)勢(shì),，但可采用的聚合物數(shù)量有限以及難以準(zhǔn)確控制機(jī)械和生化性能會(huì)損害應(yīng)用方向。最近的工作主要集中在混合或多組分生物材料的開(kāi)發(fā)上,，其中物理和化學(xué)交聯(lián)策略相結(jié)合,，利用可逆共價(jià)鍵產(chǎn)生動(dòng)態(tài)水凝膠（圖4）。

圖4 A：測(cè)試的打印條件和相圖,，以在打印性能,、擠出性和均勻性方面實(shí)現(xiàn)最佳油墨開(kāi)發(fā)。B：具有網(wǎng)格狀3D多孔結(jié)構(gòu)的支架示例

細(xì)胞相容性和偶聯(lián)方法的驗(yàn)證是開(kāi)發(fā)高級(jí)可定制生物墨水的重要方法,。表3收集了物理交聯(lián)和共價(jià)交聯(lián)方法的實(shí)例,，包括動(dòng)態(tài)交聯(lián)和可逆交聯(lián)方法。

表3 部分用于油墨和水凝膠的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)交聯(lián)的共軛方法

作者隨后就對(duì)水凝膠特性的控制做了描述。ECM在細(xì)胞命運(yùn)中的指導(dǎo)性作用不僅取決于材料的物理性質(zhì),，還取決于其化學(xué)成分以及提供特定相互作用和信號(hào)級(jí)聯(lián)的不同生物分子的存在,。因此，功能性ECM模擬物的開(kāi)發(fā)必須包括此類(lèi)生物活性因子,，其含量,、濃度和梯度將改變構(gòu)建體的功能。聚合物分子的片段,，特別是肽序列（如RGD）以及效應(yīng)蛋白（如生長(zhǎng)因子或酶）,。它們的作用是多方面的，包括正確的細(xì)胞基質(zhì)粘附,，對(duì)細(xì)胞存活至關(guān)重要,，與細(xì)胞受體（整合素、選擇素等）相互作用以啟動(dòng)信號(hào)級(jí)聯(lián),，甚至是誘導(dǎo)功能變化的酶促過(guò)程,。

隨后，作者描述了將天然ECM生成功能化ECM模擬物最具創(chuàng)新性的方法是將天然ECM或?qū)⑵涮囟ǖ鞍灼�段加入可打印的生物墨水聚合物中�?br />

圖5 A：豬（p）和牛（b）來(lái)源的脫細(xì)胞組織用H&E染色,。去除細(xì)胞物質(zhì)后殘留的脫細(xì)胞細(xì)胞外基質(zhì)呈粉紅色,。B：在銑削前掃描每種脫細(xì)胞組織類(lèi)型的電子圖像，突出顯示獨(dú)特的多孔和纖維結(jié)構(gòu),。C：銑削產(chǎn)生的用于生活用紙制造的dECM粉末的掃描電子圖像,。

表4 ECM 模擬使用dECM生成的

將dECM 與其他聚合物結(jié)合使用的最有前途的方法學(xué)方法（表5）。De Santis等人報(bào)道了基于dECM增強(qiáng)的藻酸鹽的可打印生物基質(zhì)的合成; Pati等人利用分別從豬軟骨和心臟獲得的dECM來(lái)生產(chǎn)不同3D結(jié)構(gòu)的生物墨水,。如圖6所示,，作者分別使用心臟dECM（hdECM）、軟骨dECM（cdECM）和脂肪dECM（adECM）與聚己內(nèi)酯（PCL）相結(jié)合,，制作了心臟構(gòu)建體,、軟骨構(gòu)建體和脂肪構(gòu)建體。所有獲得的構(gòu)建體都允許產(chǎn)生具有增加均勻細(xì)胞分布的組織類(lèi)似物,，并具有脂肪生成和軟骨生成潛力,。Kim等人提出了用明膠強(qiáng)化豬肝dECM的方法，該團(tuán)隊(duì)將開(kāi)發(fā)的dECM粉末基生物墨水（dECM pBio-ink）與明膠和dECM基墨水（圖6 ii）進(jìn)行了比較,，結(jié)果相比dECM更具有可觀的機(jī)械性能以及與內(nèi)皮細(xì)胞和原代肝細(xì)胞的生物相容性,。對(duì)dECM組分進(jìn)行了功能化能更好地控制dECM增強(qiáng)油墨的降解速率和力學(xué)性能。

圖6  i：由dECM和PCL制成的載細(xì)胞結(jié)構(gòu)用作生物墨水,；ii：顯微鏡圖像 （比例尺：200 μm）和測(cè)量的形狀保真度具有不同孔徑的2% dECM pBio-ink的打印晶格圖案,。3種生物油墨的肝形結(jié)構(gòu)打印效果；iii：開(kāi)發(fā)腎小球前模型,。

圖7 i:纖維蛋白腦模擬生物墨水與3D工程打印可灌注血管網(wǎng)絡(luò)集成; ii:3D生物打印許可復(fù)制基于光交聯(lián)肝臟dECM的水凝膠

作者繼續(xù)描述了關(guān)于生物3D打印模型的應(yīng)用相關(guān)內(nèi)容,。3D打印技術(shù)的進(jìn)步以及對(duì)病理和健康狀態(tài)下ECM特征的了解的增加,，使得生物打印結(jié)構(gòu)能夠更好地模擬組織的形態(tài)、生化和功能特征,。在體外建模中,，重現(xiàn)人體細(xì)胞的3D組織模型，控制其物理和生物分子特性,，并確定相關(guān)細(xì)胞命運(yùn)的能力,，將極大地有助于我們了解幾種疾病發(fā)病機(jī)制中的關(guān)鍵參與者。生物3D打印在再生醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用是一個(gè)有吸引力和挑戰(zhàn)性的話題,。生物3D打印在再生醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用主要集中在骨軟骨和心血管疾病上（表6）,。

表5 通過(guò)生物打印獲得的組織和體外模型的例子

即使組織可擴(kuò)展性和功能性仍然是一個(gè)開(kāi)放的挑戰(zhàn)，建立具有可定制形態(tài)的多細(xì)胞結(jié)構(gòu)的能力對(duì)于功能性組織和器官替代品的生成是有利的,。該領(lǐng)域的新趨勢(shì)包括直接在體內(nèi)進(jìn)行的生物3D打印,，手術(shù)中生物打印（IOB）或原位生物打印對(duì)軟骨,、皮膚和骨骼在內(nèi)的不同組織具有明顯的成效,。Albanna等人將生物3D打印系統(tǒng)應(yīng)用于小鼠和豬模型中的自體或同種異體真皮移植。在這里,，研究人員將真皮成纖維細(xì)胞加入至牛纖維蛋白和I型膠原水凝膠中,，并在真皮層受傷的部位中進(jìn)行逐層生物打印，促進(jìn)皮膚再生,。即使作者觀察到早期形成的真皮層和成熟的真皮層之間存在差異，但所提出的方法也為具有高轉(zhuǎn)化潛力的新治療機(jī)會(huì)開(kāi)辟了道路（圖8）,。

圖8：皮膚生物打印機(jī)原型和原位生物打印概念：i：演示皮膚生物打印機(jī)規(guī)模的示意圖; ii：系統(tǒng)的主要組成部分;iii：皮膚生物打印概念; iv和v皮膚生物打印過(guò)程的例子

總結(jié)：3D打印和生物打印工藝正在成為適用于不同生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的強(qiáng)大技術(shù),。在再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，這些技術(shù)允許開(kāi)發(fā)更準(zhǔn)確和功能更強(qiáng)大的3D組織模型,，甚至是可用于先進(jìn)的生物測(cè)定和個(gè)性化藥物測(cè)試的器官模擬,。該文章中的許多應(yīng)用和未來(lái)富有想象力的應(yīng)用，包括功能器官的復(fù)制,。挑戰(zhàn)在于能夠合理化細(xì)胞命運(yùn)與ECM結(jié)構(gòu)的許多變量之間的相關(guān)性,，以及在3D模型中準(zhǔn)確再現(xiàn)各種結(jié)構(gòu)和生物分子特征的能力。

文章來(lái)源：https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2023.01.048