Nature Materials | 新型類器官打印技術實現(xiàn)大尺寸組織構建

來源：上普生物

瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院Matthias P. Lutolf課題組近期在Nature Materials發(fā)表“Recapitulating macro-scale tissue self-organization through organoidbioprinting”（該組剛發(fā)了一篇腸道類器官構建的Nature）。介紹了一種新型類器官打印技術方法，該方法結合了類器官制造技術和生物3D打印技術的優(yōu)勢，并成功構建了高度仿生的厘米尺度的組織，包括管狀結構，分支血管和管狀小腸上皮體內(nèi)樣隱窩和絨毛域等，為藥物發(fā)現(xiàn)和再生醫(yī)學研究提供了新的技術手段。

類器官和生物3D打印
類器官構建技術的優(yōu)勢和局限（organoid）：在體內(nèi)，組織形成嚴重依賴于嚴格調(diào)節(jié)的形態(tài)發(fā)生程序，允許細胞群在局部相互作用并自我組織。這些局部之間的迭代交互發(fā)育中的組織單位指導細胞分化和模式形成的連續(xù)周期，從而建立了大規(guī)模生物學上的復雜性。由于其獨特的自組織潛力，干細胞衍生的類器官是有希望構建出工程方法無法比擬的組織結構和細胞類型組成的局部特征。但是，由于類器官難以生長到毫米級以上，因此它們?nèi)狈�體內(nèi)器官的大尺寸結構特征，難以實現(xiàn)更高級別的器官功能響應，限制了類器官技術在體外仿生模型和再生醫(yī)學領域的發(fā)展。

生物3D打印技術的優(yōu)勢和局限（bioprinting）：生物3D打印技術可以實現(xiàn)細胞和生物材料的精準空間排列，易于快速構建大尺寸（厘米級）含細胞外基質(zhì)的仿生組織結構。雖然現(xiàn)在有了越來越多種的細胞打印技術，但其一直存在兩個限制，1）超高濃度細胞三維打印，2）工程排列的細胞缺乏細胞分化和自組織的特征等。

生物3D打印技術是先進制造技術的一種，并不是和類器官構建相排斥的技術，因此，將類器官制造技術和生物3D打印技術的優(yōu)勢相結合，有望構建出厘米級在高度仿生的微組織。

BATE打印技術
研究者創(chuàng)新性的提出了BATE打印技術（termed bioprinting-assisted tissue emergence)，使用干細胞和類器官作為自發(fā)的自組織構建單元，這些構建單元可以在空間上排列以形成相互連接且不斷進化的細胞結構。

令人嘆服的是研究者逆天的動手能力：將一個微擠出系統(tǒng)和顯微鏡（自帶三維運動臺）相結合，構建了一個自帶顯微圖像實時觀察的打印系統(tǒng)，并腦洞打開的提出了未來可基于自動顯微鏡實現(xiàn)時空結合的生物3D打印，即打印第一種組織，并培養(yǎng)發(fā)育出一定的功能和形態(tài)后，再基于顯微成像，放回打印機在第一種組織周邊打印第二種組織，在空間和時間上都精準控制組織的發(fā)育。

圖1. 顯微鏡生物3D打印機

含有超高密度細胞的高活性生物墨水
研究者采用了類器官構建技術常用且生物活性非常好的膠原和Matrigel作為墨水材料，這些材料來源于天然組織，生物活性好，強度低，不會阻礙干細胞后續(xù)的自組織發(fā)育。通過優(yōu)化墨水參數(shù)和打印參數(shù)，BATE技術可實現(xiàn)超高細胞密度墨水的打印(每毫升10^8 個細胞)，并保持良好的細胞活性。
BATE方法在人類組織原代細胞大規(guī)模類器官或自組織構建方面具有廣泛適用性，研究人員打印了三種具有已知自組織（或自組裝）潛能的細胞類型（hISC，hMSC和HUVEC），并通過培養(yǎng)控制細胞自組織的特定局部相互作用可以形成特定結構的上皮管、結締組織和血管網(wǎng)絡，符合這些細胞原本的組織特征。

圖2. 不同細胞的打印和自組織發(fā)展

類腸道組織的構建
在宏觀尺度上重建復雜的圖案化組織，這需要對幾何學，細胞間相互作用，ECM組成和動力學以及關鍵可溶性因子的存在進行精確控制（圖3a）。小鼠腸道干細胞（mISC）在Matrigel中培養(yǎng)并添加確定的生長因子混合物（EGF，Noggin和R-spondin（ENR））時，會形成帶有隱窩和類絨毛狀隔室的類器官，類似于該動物的體內(nèi)小腸上皮。研究者基于此，3D打印了mISC的密集線，并用以模擬宏觀的腸道，通過后續(xù)的培養(yǎng)和細胞的自組織發(fā)育，該打印的結構展現(xiàn)出高度仿生的腸道組織特征。這些數(shù)據(jù)表明，BATE可以在厘米尺度上可靠地復制復雜的組織結構和圖案，并產(chǎn)生高度生理性和工程組織相關性，類似于體內(nèi)組織的表型和功能。

圖3. 宏觀腸道打印

圖4. 宏觀腸道功能表征

多細胞復雜組織打印
BATE同樣可以實現(xiàn)多細胞的打印，研究者嘗試了ISC和IMC的打印和共培養(yǎng)，并展現(xiàn)出具有顯著時空排列的多組織特征，滿足類器官培養(yǎng)中多種組織或器官整合的需求。

圖5. 共培養(yǎng)打印

總結
與現(xiàn)有的生物打印技術相比，BATE可在不同規(guī)模上指導組織形態(tài)發(fā)生，為復雜的自組織過程提供必要的環(huán)境，可以將干細胞之類的易碎細胞直接打印在Matrigel中，并自組織成復雜的幾何形狀。BATE還可以減少打印時間和幾何復雜性。因此，將類器官制造技術和生物3D打印技術相結合的BATE技術，可以構建高度仿生的厘米尺度的組織，未來可為干細胞和再生醫(yī)學提供新的方法，為工程化自組織（Self-organization）功能化組織甚至多種組織組合提供了強大的工具。

參考文獻
Brassard, J.A., Nikolaev, M., Hübscher, T. et al. Recapitulating macro-scale tissue self-organization through organoid bioprinting. Nat. Mater. (2020). https://doi.org/10.1038/s41563-020-00803-5