加州大學(xué)生物3D打印GelMA基血管化皮膚

來源： EngineeringForLife

皮膚提供了一種生理屏障，可以保護(hù)內(nèi)臟免受溫度變化、機(jī)械沖擊、各種微生物和化學(xué)物質(zhì)的影響。它由三個(gè)主要成分組成:表皮，真皮和皮下組織。(1)表皮含有4 ~ 5層上皮細(xì)胞，可形成角質(zhì)化的復(fù)層鱗狀上皮；(2)真皮由真皮成纖維細(xì)胞(DFs)產(chǎn)生的膠原和彈性蛋白纖維相互連接的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)組成，真皮內(nèi)的血液和淋巴管為皮膚提供營養(yǎng)，并與真皮成纖維細(xì)胞相互作用；(3)皮下組織血管分布良好，主要由脂肪、血管和神經(jīng)組成。這些不同的皮層提供了獨(dú)特的微環(huán)境，其中每一層都可以直接或間接地與其他層溝通，從而實(shí)現(xiàn)其特殊功能。因此，擁有一個(gè)可復(fù)制的皮膚組織模型不僅有助于可靠地預(yù)測人類皮膚的功能反應(yīng)，而且有可能在不久的將來開發(fā)出個(gè)性化的皮膚相關(guān)疾病模型。

近期，加州大學(xué)的Ali Khademhosseini教授團(tuán)隊(duì)在Biofabrication雜志上發(fā)表的題為“Biofabrication of endothelial cell, dermal fibroblast, and multilayered keratinocyte layers for skin tissue engineering”的文章，作者使用基于生物醫(yī)學(xué)的方法和生物工程技術(shù)開發(fā)了一個(gè)具有內(nèi)皮細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)、真皮成纖維細(xì)胞和多層角質(zhì)細(xì)胞的三維皮膚組織模型。

作者提出構(gòu)建三維皮膚組織模型的思路：(1)在具有0.4μm孔徑的聚酯多孔膜上打印載有HUVECs的GelMA/海藻酸鹽水凝膠，該結(jié)構(gòu)有利于真皮成纖維細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞的相互作用以及促進(jìn)營養(yǎng)物的擴(kuò)散(形成內(nèi)部血管網(wǎng)絡(luò))；(2)打印封裝有人真皮成纖維細(xì)胞的GelMA水凝膠，通過調(diào)節(jié)基質(zhì)硬度影響細(xì)胞的生長和功能；(3)通過多次在真皮層上方鋪覆包裹有角質(zhì)細(xì)胞的明膠形成多層的表皮明膠涂層。

圖1 皮膚組織每層結(jié)構(gòu)的示意圖

為了實(shí)現(xiàn)上述構(gòu)想，作者首先將具有生物相容性的GelMA/海藻酸鹽水凝膠混合HUVECs并3D打印到多孔膜上，并檢測生物墨水的可打印性、凝膠性和對細(xì)胞活力的影響，并確定了合適的GelMA/海藻酸鹽水凝膠配比。

圖2 3D打印內(nèi)皮細(xì)胞層

然后，在室溫下通過流變性測試和模量測試測量光交聯(lián)前后不同生物墨水的粘度和壓縮模量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著海藻酸鹽濃度的增加，交聯(lián)生物墨水的流變性能和壓縮模量變大。隨后，為了檢驗(yàn)3D生物墨水的生物相容性，在培養(yǎng)的第1、4、7天對HUVECs的存活率進(jìn)行了評估。細(xì)胞培養(yǎng)在柔軟的水凝膠中時(shí)表現(xiàn)出了更高水平的生存能力�；�于上述結(jié)果，7.5% GelMA/2%海藻酸配方被選為HUVECs生物打印的生物墨水。

圖3 GelMA基水凝膠的粘性、壓縮模量和生物兼容性測試

由于基質(zhì)硬度在調(diào)節(jié)細(xì)胞功能中起著關(guān)鍵作用，作者分別評估了5%、7.5%和10% GelMA水凝膠的流變性能、壓縮模量和人真皮成纖維細(xì)胞的生存能力，以確定設(shè)計(jì)真皮層的最佳凝膠濃度。結(jié)果表明，凝膠的流變模量和壓縮模量隨著凝膠濃度的增加而增加，而無論凝膠的濃度如何均顯示出良好的生物相容性。

圖4 機(jī)械性能可調(diào)節(jié)的GelMA水凝膠用于構(gòu)建3D真皮層

之后，作者發(fā)現(xiàn)在濃度為7.5%的GelMA水凝膠中人真皮成纖維細(xì)胞具有更高的增殖和擴(kuò)散能力。此外，在濃度為7.5%的GelMA水凝膠中人真皮成纖維細(xì)胞具有更高的I型膠原酶原的分泌能力和更低的I型金屬蛋白酶的分泌能力，表明該環(huán)境下人真皮成纖維細(xì)胞能形成更具有彈性和強(qiáng)度的皮膚組織。

圖5 真皮層細(xì)胞活性及功能鑒定

最后，作者將人角質(zhì)細(xì)胞接種于真皮層上，然后將含1%的生長培養(yǎng)基的明膠覆蓋在角質(zhì)細(xì)胞上并重復(fù)多次。結(jié)果表明，每層的人角質(zhì)細(xì)胞都具有很高的存活能力，通過該方法可以在短時(shí)間內(nèi)簡單地得到約137μm厚的表皮層。

圖6 多層角質(zhì)細(xì)胞構(gòu)建表皮層

為了可視化皮膚模型中不同的細(xì)胞層，作者在細(xì)胞播種前分別用藍(lán)、紅、綠對HUVECs、人真皮成纖維細(xì)胞和人角質(zhì)細(xì)胞進(jìn)行了標(biāo)記。橫切面圖像顯示，構(gòu)建的皮膚組織在每一層表現(xiàn)出良好的層次結(jié)構(gòu)。在本研究中，作者提供了一種簡單的方法，利用生物醫(yī)學(xué)方法和生物工程技術(shù)來優(yōu)化皮膚組織的每一層。構(gòu)建出的3D皮膚組織作為一個(gè)多功能平臺，使體外皮膚模型的重建成為可能。

圖7 3D生物制造皮膚組織模型