3D生物打印技術(shù)在增強類器官工程中的最新進展

類器官（Organoids）作為一種能夠模擬人體器官結(jié)構(gòu)與功能的三維培養(yǎng)系統(tǒng),，近年來在模擬人類病理生理學(xué)的研究中引起了廣泛關(guān)注,。類器官通常來源于具備自我更新和分化能力的多能干細胞或組織來源的祖細胞,。與傳統(tǒng)的二維培養(yǎng)系統(tǒng)和動物模型相比，類器官在基因與蛋白質(zhì)的表達,、代謝功能及微觀組織結(jié)構(gòu)等方面更為接近天然器官,，因此被認為是更理想的體外模型,。

盡管類器官技術(shù)具有諸多優(yōu)點，但在構(gòu)建與培養(yǎng)方面仍面臨顯著挑戰(zhàn),。例如,，手動傳代與培養(yǎng)過程既耗時又成本高昂；由于缺乏免疫系統(tǒng)與血管系統(tǒng),，作為微型三維結(jié)構(gòu)的類器官在復(fù)雜性上無法與天然組織相提并論,；將類器官與組織工程支架整合或組裝存在一定困難；此外,，在藥物開發(fā)過程中,，利用高通量技術(shù)進行大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用依舊十分復(fù)雜。

3D生物打印作為一種新興的生物增材制造技術(shù),，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于骨骼,、心臟、皮膚,、肝臟,、大腦、腸道及胰腺等組織工程領(lǐng)域,。3D生物打印利用生物墨水（由活細胞與支撐材料如水凝膠的混合物）通過在三維空間中精確沉積與組裝細胞及生物材料,，以構(gòu)建復(fù)雜結(jié)構(gòu)。通過調(diào)整生物打印參數(shù),，可以實現(xiàn)生物墨水的精準(zhǔn)空間沉積,，而程序化的計算機輔助自動化操作則使得3D生物打印具備操作步驟的可重復(fù)性及多個打印對象的批量生產(chǎn)能力。

這些優(yōu)勢使得3D生物打印有潛力通過按照既定程序在預(yù)定位置打印各種生物材料或細胞,，從而構(gòu)建異質(zhì)細胞微環(huán)境,，進而促進當(dāng)前類器官培養(yǎng)技術(shù)的發(fā)展。根據(jù)3D生物打印與類器官形成的順序,，3D生物打印在類器官培養(yǎng)中發(fā)揮著不同的作用,。在類器官培養(yǎng)之前，可以利用3D生物打印構(gòu)建具有特殊通道或腔室的培養(yǎng)板,，以便于信號傳導(dǎo)或?qū)崿F(xiàn)可灌注結(jié)構(gòu),。高密度生物打印含細胞的生物墨水能促進細胞的自組裝與類器官的成熟。而在類器官形成后,，生物打印則包括構(gòu)建不同細胞相互作用的分層結(jié)構(gòu),、血管網(wǎng)絡(luò),，以及專門設(shè)計的建構(gòu)模塊,，以誘導(dǎo)形態(tài)發(fā)生、結(jié)構(gòu)極化和類器官的功能成熟,。

近期,，重慶大學(xué)崔海軍,、崔海濤發(fā)布在Advanced healthcare materials期刊，題為Integrating 3D Bioprinting and Organoids to Better Recapitulate the Complexity of Cellular Microenvironments for Tissue Engineering的綜述旨在介紹近期3D生物打印技術(shù)在增強類器官工程中的最新發(fā)展,。

主要內(nèi)容
1) 用于類器官三維生物打印的技術(shù)及其優(yōu)缺點：該研究系統(tǒng)地總結(jié)了多種生物打印技術(shù),，包括擠出式生物打印、基于液滴的生物打印,、立體光刻,、數(shù)字光處理、體積式生物打印,、磁輔助生物打印和抽吸輔助生物打印,。對于每種技術(shù)，研究深入探討了其優(yōu)點（例如,，擠出式生物打印具備良好的通用性和大規(guī)模打印能力,，立體光刻則以其高分辨率和多樣的材料選擇而著稱）、局限性（如材料的限制,、打印速度較慢等）以及適用的類器官類型,。這為研究人員在選擇合適的生物打印技術(shù)時提供了重要的參考依據(jù)。

圖1 可用的類器官3D生物打印技術(shù)及其優(yōu)缺點和應(yīng)用

2）改進的生物打印技術(shù)促進了類器官的進展：本研究探討了從細胞來源到最終功能之間的完整工作流程,，涵蓋了精確定位,、逐層沉積、微環(huán)境構(gòu)建,、高通量生產(chǎn)以及空間定位等多個關(guān)鍵功能,。這些技術(shù)的綜合應(yīng)用使得類器官的制備過程更加標(biāo)準(zhǔn)化且更具可控性。

圖2 改進的類器官的生物打印方法

3）用于類器官生物打印的生物墨水：本研究探討了多種常用的天然材料（例如海藻酸鹽,、透明質(zhì)酸及膠原蛋白）與合成材料（如GelMA和PEGDA）的化學(xué)結(jié)構(gòu)及其特性,。這些材料的選擇對成功構(gòu)建類器官具有重要意義。

圖3 用于類器官生物打印的生物墨水

4）高細胞密度生物打印中形成基于纖維的細胞聚集體的過程：本研究通過優(yōu)化生物墨水的配方及打印參數(shù),，達成了細胞的高密度排列,，進而增強了細胞之間的相互作用。特別地,，在包埋浴中加入水后,，可以將黃原膠的粘度稀釋至水的水平，這樣在沒有添加相應(yīng)酶的情況下,，便能夠輕松提取出打印的結(jié)構(gòu),。

圖4 高密度細胞生物打印形成纖維基細胞聚集物

5）利用精確沉積技術(shù)構(gòu)建復(fù)雜的類器官結(jié)構(gòu)：三維生物打印在制作管道、柱體,、腔體以及微結(jié)構(gòu)等組件方面展現(xiàn)出顯著的潛力,。通過增加空間約束，能夠有效誘導(dǎo)類器官的形態(tài)發(fā)生與生理成熟,。此外,，通過對生物材料的空間分布進行精確控制,，可以實現(xiàn)特定的幾何形狀和細胞排列。

圖5 利用精確的沉積物來創(chuàng)造復(fù)雜的類器官結(jié)構(gòu)

6) 自動化與高通量技術(shù)在類器官培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)化中的應(yīng)用：三維生物打印被認為是一種有潛力的方法,，旨在提升類器官的重現(xiàn)性,，同時加速標(biāo)準(zhǔn)化及藥物篩選的周期。已有研究致力于開發(fā)自動化類器官平臺,，以解決器官培養(yǎng)中的效率和標(biāo)準(zhǔn)化問題,。研究人員結(jié)合了微流控技術(shù)與三維打印，利用3D微流體液滴打印機將由細胞和基質(zhì)凝膠組成的類器官前體打印至96孔板中,，該平臺能夠在一周內(nèi)生成超過400微米的類器官,，展現(xiàn)出器官間的一致性與患者間的多樣性。同樣,，三維打印技術(shù)與微流控技術(shù)的結(jié)合,，使得在384孔板上實現(xiàn)高通量類器官打印成為可能，僅需使用5微升的生物墨水,。

圖6 實現(xiàn)自動化和高通量,，以標(biāo)準(zhǔn)化類器官培養(yǎng)

7）骨骼、肝臟及心臟類器官的三維生物打印應(yīng)用實例：通過特定的打印策略與材料選擇,，實現(xiàn)了這些復(fù)雜器官的體外重建,。利用三維生物打印技術(shù)和硅酸鈣（CS）納米線，提升了受神經(jīng)支配的骨類器官的形狀保真度,，并同時促進了成骨與神經(jīng)發(fā)生,。借助計算機輔助設(shè)計（CAD）及自動化技術(shù)，三維打印技術(shù)為肝類器官提供了個性化藥物測試,、肝再生及肝臟疾病模型等病理生理學(xué)分析的顯著優(yōu)勢,。此外，該技術(shù)還為心臟類器官的構(gòu)建提供了一種通用解決方案,，包括幾何結(jié)構(gòu),、血管化及高效生產(chǎn)等方面。

圖7 骨,、肝臟和心臟類器官的3D生物打印

8) 研究團隊通過對打印參數(shù)和材料配方的優(yōu)化,，成功實現(xiàn)了消化系統(tǒng)類器官的生物打印，這些器官具備特定的功能性結(jié)構(gòu),。

圖8 腸道和腎臟類器官的3D生物打印

9）癌癥類器官及其組裝體的構(gòu)建過程：通過將多種細胞類型與生物材料相結(jié)合,，實現(xiàn)了腫瘤微環(huán)境的體外重建。生物打印技術(shù)使得復(fù)制腫瘤微環(huán)境成為可能,，并有望建立體外的臨床前腫瘤模型,，這對于高通量及個性化藥物篩選具有重要意義。

圖9 癌癥類器官和集合體的三維生物打印

10）一體化平臺及通用生物墨水系統(tǒng)的演變趨勢：本研究探討了未來類器官生物打印技術(shù)的關(guān)鍵發(fā)展方向。通過調(diào)整一系列參數(shù),，整合這些打印功能有望將有機培養(yǎng)過程簡化為一系列易于控制的程序指令,。所設(shè)計的一體化平臺預(yù)期能夠有效縮短類器官培養(yǎng)與三維生物打印之間的距離,。此外,，具有可調(diào)節(jié)物理化學(xué)特性與生物活性的合成水凝膠能夠模擬多種組織的細胞外基質(zhì)（ECM）特性，極有可能成為類器官三維生物打印的理想通用生物墨水,。

圖10 在一個一體化的平臺和通用的生物墨水系統(tǒng)中出現(xiàn)的趨勢

總結(jié)
綜上所述,，本綜述概述了用于類器官的主要生物打印技術(shù)及材料,，尤其強調(diào)了將三維生物打印與類器官結(jié)合所帶來的潛在優(yōu)勢,。這些優(yōu)勢主要體現(xiàn)在實現(xiàn)高細胞密度以形成大規(guī)模細胞聚集體、精確沉積構(gòu)建模塊以構(gòu)建具備復(fù)雜結(jié)構(gòu)和功能的類器官,，以及自動化和高通量技術(shù)的應(yīng)用,，以保障類器官培養(yǎng)過程的重復(fù)性和標(biāo)準(zhǔn)化,。

參考文獻
Hu Y, Zhu T, Cui H, Cui H. Integrating 3D Bioprinting and Organoids to Better Recapitulate the Complexity of Cellular Microenvironments for Tissue Engineering. Adv Healthc Mater. 2024 Dec 8:e2403762. doi: 10.1002/adhm.202403762. Epub ahead of print. PMID: 39648636.