《AHM》綜述：未來已來，聚焦太空心臟組織的生物3D打印

組織工程旨在為再生和個性化醫(yī)學制造新的組織和器官系統(tǒng)。最近，美國商業(yè)開發(fā)商和航天設備運營商Techshot Inc和電子打印機制造商nScrypt開發(fā)了生物3D制造設施，該設施使用成人細胞和成人組織衍生的蛋白質作為其生物墨水，用于在國際空間站（ISS）上創(chuàng)建可行的組織。此外，磁懸浮生物打印技術已在國際空間站上進行了測試和驗證。

雖然目前的進步還不允許制造用于移植的器官，但空間復雜組織的生物3D打印有助于研究空間環(huán)境對生物過程的影響，否則很難在人類或動物身上進行研究，對于心血管系統(tǒng)來說尤其如此。為此，來自南卡羅來納大學的Kevin T abury、Lorenzo Moroni等人描述了在地球上使用的生物打印技術及其在太空中的適用性。作者討論了地球和太空中心臟組織生物打印的當前進展，并關注了生物鏈接的屬性和在太空中遇到的挑戰(zhàn)。

相關綜述論文以“Bioprinting of Cardiac Tissue in Space: Where Are We?”為題于2023年6月14日發(fā)表在《Advanced Healthcare Materials》上。

1. 地球上的生物打印技術及其在空間的適用性
高精度和靈活性還能夠結合多細胞沉積是生物3D打印的額外顯著優(yōu)勢。生物3D打印主要使用的技術包括噴墨、激光輔助和擠壓，也出現(xiàn)了磁懸浮或前述技術的衍生物等技術�；�于噴墨、激光輔助和擠壓的3D打印技術已經(jīng)被廣為熟知。在追求軟組織生物打印的過程中，磁懸浮技術應運而生。

目前的磁懸浮方法是使用釓(Gd3+)和錳(Mn2+)等離子或自由基來順磁化位于兩個磁體之間的懸浮介質，磁極相同，彼此相對。通過添加封裝在水凝膠中的細胞（稱為建筑塊）進入懸浮介質并暴露于磁場后，這些水凝膠將自身定位在最小磁場強度區(qū)域。因此，通過改變構件的參數(shù)(組成、硬度、彈性模量、孔隙率或細胞類型)，可以以無支架、無標記和無噴嘴的方式組裝具有獨特空間異質材料性質的復雜構建體（圖1）。

圖1 磁懸浮原理

最近在心臟組織生物打印的背景下已經(jīng)有文獻對上述技術進行了審查。與其他文獻不同的是，作者總結了每種技術的重要方面，并指出了微重力在太空中使用時的優(yōu)點和缺點（表1）。

表1 地球上使用的生物打印技術的比較

2. 地球上心臟組織生物打印的生物墨水特性

仿生功能性心臟組織的創(chuàng)建在很大程度上依賴于適當?shù)奈�環(huán)境和細胞密度，以及生物墨水的結構和功能特性。具體來說，生物墨水的粘彈性特性、細胞結合基序的包含以及生物墨水的打印后修飾，促進細胞排列、營養(yǎng)運輸和機電同步，都對組織形成、成熟和功能化做出了顯著貢獻。迄今為止，尚未產(chǎn)生完全成熟的心臟組織。因此，仍然需要尋找理想的生物墨水，并應以以下要求作為指導：

•高彈性和機械強度，可承受肌肉收縮時的重復機械應力和非線性彈性。

•適當?shù)纳�物降解性，可以持續(xù)足夠長的時間以進行細胞附著，并防止患病心肌的蛋白水解活性，而不引發(fā)免疫反應。

•生物相容性對細胞無毒，可以支持細胞的生存。

•促進新血管形成和結構重塑。

•受控的機電特性不會干擾動作電位的電導。

•由外而內的信號傳導促進體外心肌細胞的最佳附著、存活、生長、成熟和功能，并支持功能性心臟收縮和植入體內后融入宿主組織。

3. 地球上心臟組織生物打印的進展
接著，作者對目前心臟組織生物打印技術進行了概述，包括傳統(tǒng)生物打印方法和集成生物打印和芯片實驗室系統(tǒng)的方法。其中，將生物打印與芯片器官集成時最常用的打印技術是壓力輔助、噴墨、光輔助和微流體生物打印。通常，可以使用三種主要方法來實現(xiàn)集成：(1)單獨打印構建體并將其放置在打印后的流體外殼中，(2)直接在外殼內打印構建體，或(3)對整個芯片進行完全生物打印和組織構建一步完成（圖2）。

圖2 生物打印器官芯片的打印方法概述

4. 太空中使用的生物打印技術
與地面操作相比，微重力下的生物打印帶來了各種新的障礙，但也帶來了機遇，需要對當前地面技術進行量身定制的工程改造。微重力為打印復雜的器官結構提供了獨特的解決方案，因為最小的重力消除了支撐復雜組織形狀的腳手架結構的需要。

迄今為止，在太空中已經(jīng)使用了兩種生物打印技術。2018年，Roscosmos推出了“Organ.Aut”，該生物打印技術基于磁懸浮，他們的實驗涉及一系列連續(xù)的階段（圖3）。2019年，國際空間站國家實驗室啟動了生物制造設施（BFF），該生物打印技術基于擠壓（圖4）。

圖3 Organ.Aut 太空打印過程概述

圖4 太空BFF打印過程概述

5. 太空生物打印面臨的挑戰(zhàn)

在地球上，3D生物打印的挑戰(zhàn)集中在打印分辨率、支架的選擇、受控血管化的生成、受控異質細胞類型組成及其相關的空間分布，以及生物墨水中使用的生物材料。盡管由于微重力環(huán)境而減少了對結構支撐腳手架的需求，但這些挑戰(zhàn)仍然存在于太空中。



（1）首先，包裝和運輸方面的物流需要確保生物材料安全抵達國際空間站。為了確保宇航員的安全，需要多層密封以避免任何液體泄漏到國際空間站。這意味著發(fā)生液體交換的生物打印機的任何連接器或組件也需要防漏。



（2）其次，為了確保生物樣本保持活力，需要不同的儲存溫度。對于Organ.Aut，軟骨球包含在熱可逆水凝膠中，在打印之前儲存在4 °C下。就BFF而言，心臟細胞儲存在-95 °C下，而水凝膠則單獨包裝并儲存在2 °C下。



（3）第三，如果打印過程在地球上控制，則需要考慮由于國際空間站和地面控制之間的通信中斷而導致的信號丟失。在這方面，需要開發(fā)實施人工智能和機器學習的自動化系統(tǒng)。



（4）最后，由于太空中的輻射水平，電子元件需要進行抗輻射處理。



在太空中，最初的心臟組織研究集中于人類干細胞及其分化為心臟祖細胞或心肌細胞（表3）。盡管心臟組織是使用BFF進行生物打印的，但迄今為止尚未發(fā)表其他研究。近年來發(fā)表了一些有前途的項目，這將進一步提高對太空心臟組織工程的理解（表2）。

表2 使用人類干細胞衍生的心臟細胞在國際空間站上進行的實驗列表

綜上，在快速發(fā)展的生物打印領域，空間材料的生物打印是新的、有前景的、未來的研究方向之一。太空生物打印實踐具有許多潛在的好處。首先，由于微重力，可以想象生物打印結構，使用更多的流體系統(tǒng)，從而使用更具生物相容性的生物墨水。其次，缺乏重力意味著與地球上不同的是，諸如空隙、空腔、隧道等復雜的幾何形狀在微重力下是自支撐的，因此微重力環(huán)境有利于它們的建造。第三，初步實驗似乎表明干細胞在微重力下表現(xiàn)更好。心臟組織是最復雜的器官之一，微重力有可能帶來突破性的進步。

文章來源：

https://doi.org/10.1002/adhm.202203338