瑞士洛桑聯邦理工學院Nature Materials：三維生物打印高效實現宏觀尺度上細胞自組織

【引言】?

生物打印由于具有其控制細胞大規模沉積和生物相容性的強大能力，在組織工程和再生醫學中得到了廣泛的應用。雖然最近已經開發了先進的生物打印方式，如多材料、原位、自由形式和智能材料生物打印，但這些方法往往為了提高打印性和分辨率而犧牲了其細胞環境適用性。這種權衡已經無法為重新創造復雜的天然組織結構和功能提供所必需的高細胞密度和允許性。在體內，組織的形成在很大程度上依賴于嚴格調控的形態發生程序，該程序允許細胞群進行局部相互作用和自我組織。這些局部發育的組織單位之間的迭代相互作用指導了細胞分化和模式形成的連續循環，從而建立了大規模的生物復雜性。由于其獨特的自組織潛力，干細胞源性器官是一種很有前途的組織模仿，在復制組織結構和細胞類型組成的局部特征方面，這是工程方法所無法比擬的。然而，由于器官不能生長超過毫米級，它們缺乏原生器官的結構特征，而這些固有特征將允許出現更高級別的功能特征。再生醫學體外組織器官發育的一個重要步驟是，在宏觀尺度上控制哺乳動物細胞的自組織潛能，但這對現有技術仍然具有挑戰性。對組織大小和結構的更好控制最終可以提供用于藥物篩選或最終器官替代的人造器官，從而減輕動物測試的負擔并消除移植的漫長等待時間。

近日，瑞士洛桑聯邦理工學院Matthias P. Lutolf教授（通訊作者）引入了一種三維（3D）生物打印概念，用于指導在生理相關的尺度上并直接在高度許可的細胞外基質（ECM）中引導組織形態發生，從而促進有效的多細胞自組織。本文的方法被稱為生物打印輔助組織出現（BATE），它使用干細胞和類器官作為自發自組織的構建基塊，這些構建基塊可以在空間上排列以形成相互連接和進化的細胞結構。因此，通常會發展成相對隨機形狀的小類器官的每個細胞或細胞聚集體，都可以按照3D打印施加的幾何形狀和約束，強制融合并重新組織。使用這種通用策略，可以打印出具有關鍵細胞類型的大型細胞結構，例如薄壁組織及其相應的基質或胃腸道中的不同上皮細胞，以重現在天然器官中看到的組織與組織之間的相互作用或體內平衡。相關研究成果以“Recapitulating macro-scale tissue self-organization through organoid bioprinting”為題發表在Nature Materials上。

【圖文導讀】

圖一、BATE

（a）使用自發自組織來創建大規模組織的BATE概念；

（b）具有代表性的細胞熒光圖像；

（c）低（左)和高(右）密度印刷后HUVECs活力的代表性圖像；

（d，e）在hMSC、hISC和HUVEC細胞打印（d）和自組織（e）后，細胞圖案的亮場圖像；

（f，g）宏觀和微觀組織結構的熒光共聚焦圖像。

圖二、宏觀打印腸管

（a）BATE在腸道組織工程中的應用實例；

（b）管演化的亮場圖像；

（c）腸管在培養21天后顯示完整的上皮；

（d）對于兩管，平均管徑和總長度隨培養天數的變化；

（e）培養6天后生物墨水細胞密度對管徑的影響；

（f）用蘇木精和伊紅染色組織學橫截面，觀察連續管腔和細胞組織；

（g）跨越>15mm腸管的宏觀圖像。

圖三、腸管表征

（a-c）管的熒光共聚焦圖像，具有宏觀和更高的放大視圖；

（d）熒光共聚焦圖像（最大強度投影）；

（e-g）腸管切片的透射電子顯微鏡圖像；

（h）Alcian藍和Nuclear快紅染色的一段腸管；

（i）Lys-ds RED腸管顯示Paneth細胞在該管的隱窩結構中的位置；

（j）管腫脹以響應福司柯林；

（k）顯示了福司柯林處理后直徑的增加與時間的函數。

圖四、共培養打印

（a-d）細胞追蹤染料染色的細胞顯微照片；

（e-h）ISCs和IMCs的分類；

（i）帶有IMC模式的腸管演變的亮場圖像；

（j）腸管灌注前（上)和灌注后(下）的亮場圖像；

（k）由小鼠胃體(MT)和小鼠小腸(Lgr5-eGFP)干細胞直接打印組成的管；

（l）高分辨率圖像；

（m）定量實時PCR數據的熱圖，顯示胃特異性基因的相對表達。

【小結】

綜上所述，利用BATE，只要幾何形狀，細胞密度和環境合適，就可以在不同范圍內倍增特定于一組細胞的細胞相互作用和自組織的局部規則。這樣，通過在相關的特定允許環境中對相關干細胞進行生物打印，可以將已針對不同類器官系統優化的條件無縫地轉換為宏觀尺度。由于這些基本概念是廣泛的，因此可以設想，將自然編程的結構基塊的相同設計策略也可以應用于不同來源的組織，將現有的類器官系統及其相關的細胞相結合。因此，這項研究為干細胞生物學和再生醫學開辟了新途徑，為工程化自組織組織，模仿器官邊界以及其他組織與組織之間的相互作用提供了強大的工具。這些打印的細胞遵循良好調節的生理形態發生程序，這一事實與其他生物打印方法中夸張的空間限制或過度限制相反，也有望在體內大幅提高其功能性，整合性和成熟度。

文獻鏈接：“Recapitulating macro-scale tissue self-organization through organoid bioprinting”(Nature Materials，2020，10.1038/s41563-020-00803-5)

本文由材料人CYM編譯供稿。