維克森林的3D打印肝組織被運(yùn)往太空進(jìn)行研究

2024年8月3日,，南極熊獲悉,，諾斯羅普·格魯曼（Northrop Grumman）公司的第21次補(bǔ)給任務(wù)（NG-21）將向國際空間站（ISS）發(fā)射3D打印的肝臟組織，以研究其在微重力環(huán)境下的行為和功能,。該研究由再生醫(yī)學(xué)先驅(qū)Anthony Atala和生物打印專家James Yoo領(lǐng)導(dǎo),，他們所在的維克森林再生醫(yī)學(xué)研究所（WFIRM）團(tuán)隊(duì)將確定太空的獨(dú)特條件是否有助于這些復(fù)雜組織的生長和發(fā)育。



NG-21任務(wù)將向國際空間站運(yùn)送920公斤的科學(xué)實(shí)驗(yàn)品和補(bǔ)給,。這項(xiàng)由NASA,、國際空間站國家實(shí)驗(yàn)室和Redwire公司（太空3D打印的先驅(qū)）支持的3D打印肝臟組織項(xiàng)目，將評(píng)估微重力如何影響血管化肝臟組織的形成和維持,。


△ 美國宇航局血管組織挑戰(zhàn)賽的第一名獲勝者溫斯頓團(tuán)隊(duì)使用一個(gè)腔室來容納打印的組織并測試灌注

Anthony Atala在ISS網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)上表示,，該項(xiàng)目建立在2016年啟動(dòng)的NASA血管組織挑戰(zhàn)賽的成功之上。這一競賽要求科學(xué)家們創(chuàng)造厚度足夠,、血管化的組織,，能夠在體外至少存活30天。比賽于2021年結(jié)束,，來自維克森林的兩個(gè)團(tuán)隊(duì)勝出,，第一個(gè)獲勝團(tuán)隊(duì)獲得了30萬美元的獎(jiǎng)金以及在ISS上進(jìn)一步開展研究的機(jī)會(huì)。


△  A）生物打印的血管化結(jié)構(gòu),，具有由互連通道組成的陀螺體設(shè)計(jì) B）生物打印的人肝組織結(jié)構(gòu) C）含有組織結(jié)構(gòu)的流通室連接到灌注系統(tǒng)

為什么選擇肝臟,？


△  設(shè)計(jì)陀螺結(jié)構(gòu)

肝臟是一個(gè)特別難復(fù)制的器官，因其體積大,、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且血管網(wǎng)絡(luò)密集,。為解決這些難題，WFIRM的團(tuán)隊(duì)利用數(shù)字光投影（DLP）打印機(jī)創(chuàng)建了3D打印的組織塊,，以模仿肝臟的自然架構(gòu),。通過這項(xiàng)技術(shù)復(fù)制了肝臟組織的gyroid結(jié)構(gòu)，允許包含功能性血管通道,。隨后,，這些結(jié)構(gòu)被接種細(xì)胞，以實(shí)現(xiàn)長期功能,，使組織能夠自我維持較長的時(shí)間,。

Anthony Atala表示，一旦3D打印的肝臟組織結(jié)構(gòu)進(jìn)入太空,，他們期待了解這些組織在微重力環(huán)境中的表現(xiàn),。微重力可能會(huì)促進(jìn)大型生物打印組織和器官的發(fā)展與成熟，而這些在地球上由于血管化問題而難以維持,。研究人員將有機(jī)會(huì)在微重力下研究組織結(jié)構(gòu),，這可能導(dǎo)致細(xì)胞形狀、大小,、體積及粘附屬性的變化,。

進(jìn)入太空



△  多用途 Variable-g 平臺(tái) （MVP） 設(shè)施可容納多達(dá) 12 個(gè)科學(xué)模塊

名為“零重力下血管化肝臟組織構(gòu)建的成熟”（MVP Cell-07）的實(shí)驗(yàn)包括12個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)�塊,，每個(gè)模塊包含三個(gè)組織樣本。這些模塊是特制容器,，配備有營養(yǎng)供給,、溫度控制和廢物移除系統(tǒng)，確保實(shí)驗(yàn)期間組織樣本保持活性,。它們將在軌道上的MVP設(shè)施中進(jìn)行環(huán)境控制,。該MVP設(shè)施由Techshot開發(fā)（現(xiàn)隸屬于Redwire），于2018年4月通過SpaceX CRS-14前往ISS,，用于執(zhí)行各種研究項(xiàng)目,，包括涉及人造重力和多種樣本類型的環(huán)境控制。

● 實(shí)驗(yàn)開始時(shí),，模塊將從帶電載體中取出并打開,，以便宇航員安裝新鮮的介質(zhì)袋。當(dāng)模塊置于MVP設(shè)施中并啟動(dòng)自動(dòng)泵定時(shí)后,，36個(gè)組織樣本將在十天內(nèi)進(jìn)行處理,。
● 第十天，12個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)�塊將從MVP設(shè)施中移出進(jìn)行宇航員操作,。四個(gè)模塊中的生物室將被取出,、固定并放入冷儲(chǔ)藏。還將從每個(gè)組織樣本收集的介質(zhì)中取樣,。然后,，剩余八個(gè)模塊中的介質(zhì)袋將被更換，然后再裝入MVP設(shè)施,。
● 第二十天,，再移出四個(gè)生物室，固定并儲(chǔ)存在冷處,。在剩余四個(gè)模塊中收集介質(zhì)樣本,，并替換新的介質(zhì)袋。
● 第三十天,，最后四個(gè)生物室將被移出,、固定并儲(chǔ)存。這一過程將展示組織在微重力環(huán)境中不同時(shí)間點(diǎn)的發(fā)展,。


△  在其動(dòng)力載體中配置了六個(gè)模塊,，用于上升。載體在冷袋中發(fā)射時(shí)有助于將培養(yǎng)基灌注到組織中,，從而保持約 37°C 以進(jìn)行 MVP Cell-07 研究

在太空中進(jìn)行這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)提供了獨(dú)特的優(yōu)勢,。在地球上，重力會(huì)導(dǎo)致打印組織內(nèi)的細(xì)胞分布不均,。然而,，在ISS的微重力環(huán)境下,，細(xì)胞可以更均勻地分布，可能促進(jìn)更好的組織形成,。

Anthony Atala表示,，此次研究的主要目標(biāo)是理解微重力如何影響功能性組織的發(fā)展與維護(hù)。這次實(shí)驗(yàn)將提供寶貴的信息,，了解含血管的生物打印組織在微重力下的行為，以及毛細(xì)血管狀血管是否能在工程組織中發(fā)展出來,。


△  多用途 Variable-g 平臺(tái) （MVP） 電池實(shí)驗(yàn)?zāi)�塊,。12 個(gè)模塊運(yùn)行，每個(gè)模塊包含用于 MVP Cell-07 研究的三個(gè)樣本條件

團(tuán)隊(duì)在不同的階段（10天,、20天和30天）分析肝臟組織,，關(guān)注基因組、轉(zhuǎn)錄組,、蛋白質(zhì)組和代謝組水平,。這些分析將幫助研究者理解微重力如何在多個(gè)生物學(xué)層面影響肝臟組織，從基因表達(dá)到蛋白質(zhì)生產(chǎn)及代謝變化,，為了解太空條件如何改善組織工程技術(shù)提供了見解,，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能對(duì)未來的太空組織工程、地球上的患者治療改進(jìn)以及保障未來長期太空任務(wù)中宇航員的健康產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響,。


△  多用途 Variable-g 平臺(tái) （MVP） 可以在兩種不同的重力條件下運(yùn)行,，范圍從微重力到 2g

研究意義

Anthony Atala表示，“構(gòu)建組織和器官的能力是領(lǐng)域內(nèi)的一項(xiàng)重大突破,，WFIRM有一個(gè)優(yōu)秀的團(tuán)隊(duì)將這項(xiàng)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室?guī)У讲〈策�,。而太空將幫助團(tuán)隊(duì)在地球上更好地制造組織，這有助于降低成本,、擴(kuò)大技術(shù)規(guī)模并加速這些技術(shù)在地球乃至太空的應(yīng)用,。”


△  3D打印組織

幾十年來,，Anthony Atala和James Yoo在WFIRM的3D打印組織和器官方面取得了顯著進(jìn)展,。他們利用生物3D打印技術(shù)成功制造了不同的組織，包括血管,、心臟瓣膜甚至微型器官,。一個(gè)杰出的成就是開發(fā)了實(shí)驗(yàn)室培育的膀胱，已成功植入患者體內(nèi),。他們的工作旨在減少對(duì)捐贈(zèng)器官的依賴,，通過在實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造功能性的可移植組織和器官，推動(dòng)再生醫(yī)學(xué)和生物打印的發(fā)展,。