體積生物打印制造類肝臟代謝工廠

供稿人：謝璇璇 高琳
供稿單位：西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室　
來源：中國機械工程學(xué)會增材制造技術(shù)（3D打印）分會

制備保留人體組織和器官功能的3D“活”結(jié)構(gòu)是藥物發(fā)現(xiàn)、毒理學(xué)測試和精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的先進體外模型以及再生醫(yī)學(xué)的主要研究方向。生物打印技術(shù)已成功制備具有器官主要功能的結(jié)構(gòu)，包括工程卵巢，甲狀腺，和神經(jīng)支配骨骼肌。此外，結(jié)合如圖1D所示類器官（表達關(guān)鍵器官樣行為的小型化3D結(jié)構(gòu)）技術(shù)，可制備生理相關(guān)大小（即高于厘米尺度的尺寸）的復(fù)雜“活”結(jié)構(gòu)。

荷蘭的烏德勒支大學(xué)醫(yī)學(xué)中心通過改良光驅(qū)動體積生物打印（volumetric bioprinting , VBP）流程（如圖A所示）成功制造類肝臟生物代謝工廠。該技術(shù)原理為使用一系列待打印結(jié)構(gòu)的過濾背投影，用可見光從多個角度照射裝滿生物樹脂的腔室，光投影疊加提供的累積能量劑量僅在與打印結(jié)構(gòu)對應(yīng)的幾何形狀中引發(fā)光交聯(lián)，從而快速構(gòu)建打印結(jié)構(gòu)。體積生物打印的主要優(yōu)勢在于快速制造，所需光劑量對細胞傷害小，無需支撐與犧牲結(jié)構(gòu)。

圖1 高分辨率體積生物打印技術(shù)打印類器官概述

當(dāng)細胞及類器官成為3D打印原料缸中主要成分之一，打印精度所依靠的光學(xué)性能下降。該團隊首先厘清細胞及肝臟類器官對光學(xué)性能的定量改變，并通過加入10%（w/v）輔劑碘沙醇抵消了這種負面影響，進而選定工藝窗口，使打印精度最高達到41.5 ± 2.9 微米，并在不到30秒的時間里打印4.14立方厘米的構(gòu)建體。所打印的代謝工廠，其內(nèi)類器官活性良好，微觀結(jié)構(gòu)和形態(tài)保存完整，關(guān)鍵肝細胞分化標(biāo)志物的表達豐富。從生物功能上看，類器官分泌白蛋白與轉(zhuǎn)氨酶，展現(xiàn)出氨解毒能力，這是肝臟中尿素循環(huán)的關(guān)鍵步驟。除此以外，打印結(jié)構(gòu)引入晶格設(shè)計，從而調(diào)控類器官群空間分布，控制支架內(nèi)的流體流動，影響類器官和培養(yǎng)液溶質(zhì)通信，從而對氨解毒過程產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用。

總的來說，超快VBP工藝與類器官技術(shù)的結(jié)合在開發(fā)先進的再生醫(yī)學(xué)方法和基礎(chǔ)生物學(xué)研究，個性化藥物篩選和疾病建模的體外模型開發(fā)方面具有巨大潛力。

參考文獻：
Paulina NB, Manon B, Jorge MW, Marc F, Sammy F, Nuria GR, et al. Volumetric Bioprinting of Organoids and Optically Tuned Hydrogels to Build Liver-Like Metabolic Biofactories. Advanced Materials. 2022. https://doi.org/10.1002/adma.202110054