瑞士洛桑联邦理工学院Nature Materials：三维生物打印高效实现宏观尺度上细胞自组织

【引言】

生物打印由于具有其控制细胞大规模沉积和生物相容性的强大能力，在组织工程和再生医学中得到了广泛的应用。虽然最近已经开发了先进的生物打印方式，如多材料、原位、自由形式和智能材料生物打印，但这些方法往往为了提高打印性和分辨率而牺牲了其细胞环境适用性。这种权衡已经无法为重新创造复杂的天然组织结构和功能提供所必需的高细胞密度和允许性。在体内，组织的形成在很大程度上依赖于严格调控的形态发生程序，该程序允许细胞群进行局部相互作用和自我组织。这些局部发育的组织单位之间的迭代相互作用指导了细胞分化和模式形成的连续循环，从而建立了大规模的生物复杂性。由于其独特的自组织潜力，干细胞源性器官是一种很有前途的组织模仿，在复制组织结构和细胞类型组成的局部特征方面，这是工程方法所无法比拟的。然而，由于器官不能生长超过毫米级，它们缺乏原生器官的结构特征，而这些固有特征将允许出现更高级别的功能特征。再生医学体外组织器官发育的一个重要步骤是，在宏观尺度上控制哺乳动物细胞的自组织潜能，但这对现有技术仍然具有挑战性。对组织大小和结构的更好控制最终可以提供用于药物筛选或最终器官替代的人造器官，从而减轻动物测试的负担并消除移植的漫长等待时间。

近日，瑞士洛桑联邦理工学院Matthias P. Lutolf教授（通讯作者）引入了一种三维（3D）生物打印概念，用于指导在生理相关的尺度上并直接在高度许可的细胞外基质（ECM）中引导组织形态发生，从而促进有效的多细胞自组织。本文的方法被称为生物打印辅助组织出现（BATE），它使用干细胞和类器官作为自发自组织的构建基块，这些构建基块可以在空间上排列以形成相互连接和进化的细胞结构。因此，通常会发展成相对随机形状的小类器官的每个细胞或细胞聚集体，都可以按照3D打印施加的几何形状和约束，强制融合并重新组织。使用这种通用策略，可以打印出具有关键细胞类型的大型细胞结构，例如薄壁组织及其相应的基质或胃肠道中的不同上皮细胞，以重现在天然器官中看到的组织与组织之间的相互作用或体内平衡。相关研究成果以“Recapitulating macro-scale tissue self-organization through organoid bioprinting”为题发表在Nature Materials上。

【图文导读】

图一、BATE

（a）使用自发自组织来创建大规模组织的BATE概念；

（b）具有代表性的细胞荧光图像；

（c）低（左)和高(右）密度印刷后HUVECs活力的代表性图像；

（d，e）在hMSC、hISC和HUVEC细胞打印（d）和自组织（e）后，细胞图案的亮场图像；

（f，g）宏观和微观组织结构的荧光共聚焦图像。

图二、宏观打印肠管

（a）BATE在肠道组织工程中的应用实例；

（b）管演化的亮场图像；

（c）肠管在培养21天后显示完整的上皮；

（d）对于两管，平均管径和总长度随培养天数的变化；

（e）培养6天后生物墨水细胞密度对管径的影响；

（f）用苏木精和伊红染色组织学横截面，观察连续管腔和细胞组织；

（g）跨越>15mm肠管的宏观图像。

图三、肠管表征

（a-c）管的荧光共聚焦图像，具有宏观和更高的放大视图；

（d）荧光共聚焦图像（最大强度投影）；

（e-g）肠管切片的透射电子显微镜图像；

（h）Alcian蓝和Nuclear快红染色的一段肠管；

（i）Lys-ds RED肠管显示Paneth细胞在该管的隐窝结构中的位置；

（j）管肿胀以响应福司柯林；

（k）显示了福司柯林处理后直径的增加与时间的函数。

图四、共培养打印

（a-d）细胞追踪染料染色的细胞显微照片；

（e-h）ISCs和IMCs的分类；

（i）带有IMC模式的肠管演变的亮场图像；

（j）肠管灌注前（上)和灌注后(下）的亮场图像；

（k）由小鼠胃体(MT)和小鼠小肠(Lgr5-eGFP)干细胞直接打印组成的管；

（l）高分辨率图像；

（m）定量实时PCR数据的热图，显示胃特异性基因的相对表达。

【小结】

综上所述，利用BATE，只要几何形状，细胞密度和环境合适，就可以在不同范围内倍增特定于一组细胞的细胞相互作用和自组织的局部规则。这样，通过在相关的特定允许环境中对相关干细胞进行生物打印，可以将已针对不同类器官系统优化的条件无缝地转换为宏观尺度。由于这些基本概念是广泛的，因此可以设想，将自然编程的结构基块的相同设计策略也可以应用于不同来源的组织，将现有的类器官系统及其相关的细胞相结合。因此，这项研究为干细胞生物学和再生医学开辟了新途径，为工程化自组织组织，模仿器官边界以及其他组织与组织之间的相互作用提供了强大的工具。这些打印的细胞遵循良好调节的生理形态发生程序，这一事实与其他生物打印方法中夸张的空间限制或过度限制相反，也有望在体内大幅提高其功能性，整合性和成熟度。

文献链接：“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编译供稿。