斯坦福大學《Nature Reviews Bioengineering》類器官生物打印

來源： EngineeringForLife

復雜人體組織的生物制造再現(xiàn)器官特殊的結構和功能，需要工程控制和內在自組裝的結合。類器官生物打印包括增材制造方法，可以對類器官或類器官形成細胞的放置進行空間控制，以制造多細胞的3D結構。特別是，生物打印可以用來控制打印細胞或組織的空間位置，同時保持組成構件的結構和生理學。在這篇綜述中，美國斯坦福大學Sarah C. Heilshorn及其團隊討論了生物打印方法和組織工程的新興集成。由于生物打印通常涉及到“材料”油墨的圖案化，本文將細胞和類器官描述為一種活材料，并討論了如何通過生物制造技術來操縱這種活材料。本文專注于連續(xù)的生物打印方法，其中球狀體、類器官或類器官形成細胞組成生物墨水。最后，強調了生物打印方法和類器官技術的結合如何發(fā)展疾病的工程組織模型。

相關研究內容以“Organoid bioprinting: from cells to functional tissues”為題于2024年12月16日發(fā)表在《Nature Reviews Bioengineering》。

本文要點：

（1）類器官是體外模型系統(tǒng)，旨在再現(xiàn)體內人體，組織特異性表型。

（2）類器官形成細胞、類器官、類器官懸浮液和融合的類器官都可以被認為是“活材料”，表明它們可以直接用于基于材料的生物制造方法。

（3）類器官生物打印是指增材制造方法，對類器官或類器官形成細胞的3D排列進行空間控制，以增加工程組織的相關性、再現(xiàn)性和復雜性。

（4）類器官生物打印在模擬人類開發(fā)和疾病、標準化藥物發(fā)現(xiàn)和臨床使用的人體組織生物制造方面具有潛力。   

圖1 生物材料用于生物打印

通過在細胞培養(yǎng)基中添加可溶性形態(tài)因子來模擬在體內接收到的生態(tài)位信號啟動類器官的形成。雖然類器官通常來源于原代組織干細胞或多能干細胞（PSCs），但在某些情況下，它們也可以通過分化細胞類型的自組織而出現(xiàn)（圖1a）。在制備用于生物打印的預成型類器官時，必須考慮幾個主要因素（圖1b）。首先，被打印的單個類器官必須在大小和形態(tài)上保持一致，以使復雜的工程組織能夠進行可重復的生物制造。第二，類器官的生產必須易于擴展。第三，在水凝膠基質中培養(yǎng)的類器官必須在不影響類器官保真度的情況下釋放。最后，在開發(fā)或選擇一種操縱單個類器官的生物打印方法時，必須了解不同的類器官的力學性能。類器官懸浮液是指液體物質中類器官的粘性混合物，類似于膠體懸浮液，其中微觀的不溶性顆粒分散在液體介質中（圖1c）。類器官懸浮液的流變特性取決于類器官懸浮密度和周圍流體的力學性能。多細胞聚集物的融合是基于差異粘附假說的，該假說認為表達相同粘附分子的細胞傾向于結合在一起。雖然最初的融合演示是用球狀體完成的，但“assembloid”一詞用來描述將不同類型的類器官融合成單一的3D結構的過程（圖1d）。   

圖2 類器官生物打印方法

當使用器官形成細胞作為生物墨水時，利用器官形成細胞的局部自組織和分化潛能，就會發(fā)生器官形成和融合（圖2a）。例如，生物打印圓柱形的腸干細胞使細胞能夠組織成具有空心腔和體內樣隱窩和絨毛結構的腸管狀結構。作為一種替代方法，使用PSC聚集體或器官樣結構作為生物墨水，而不是使用單獨懸浮的細胞，可以保持每個自組裝構建塊內的細胞密度、細胞類型多樣性和細胞結構（圖2b）。在拾取式生物打印中，可以選擇特定、單獨的類器官或球狀體，然后放置在精確的位置，通常在支撐支架內（圖2c）。在體積生物打印中，可光固化油墨被放置在旋轉缸中，通過紫外線或可見光交聯(lián)，可見光被一系列所需結構的2D光模式照亮。這使得可以從多個角度同時照明整個體積，從而以體積的方式制造3D結構（圖2d）。犧牲寫入功能組織（SWIFT）使用類器官和ECM材料（基質膠和膠原蛋白）的漿液作為支撐浴，其中犧牲墨水可以打印出來創(chuàng)建可灌注通道（圖2e）。  

圖3 在類器官生物打印中的應用

類器官在最小的控制下自組織和組裝，產生重復性有限的異質組織。相反，生物打印可以精確控制空間定位，但傳統(tǒng)的生物打印主要依賴于外部模式來組織細胞，而細胞自身的自組織能力有限。通過將類器官構建塊作為一種可以生物打印的活材料，生物打印的空間精度可以與類器官結構的內在自組裝相結合，發(fā)揮工程控制。一些類器官生物打印方法已經取得成功。最終，類器官生物打印在工程復雜的3D組織方面具有巨大的潛力，從再生醫(yī)學到基礎研究再到個性化疾病模型（圖3）。然而，仍有一些發(fā)展空間可以進一步擴展類器官生物打印的再現(xiàn)性和可擴展性，同時也可以實現(xiàn)組織模擬的復雜性?？朔@些挑戰(zhàn)有望進一步擴大類器官生物打印的實用性，以促進制藥行業(yè)的藥物發(fā)現(xiàn)和發(fā)展。

全文小結
本綜述將類器官和類器官形成細胞描述為一種活材料，然后描述類器官構建塊作為生物墨水的使用，最后討論可用于類器官生物打印的各種支撐浴。雖然迄今為止，類器官生物打印的例子很少，但許多球形生物打印的基本工程原理與類器官生物打印是相同的。因此，擴展了討論，包括球狀體的打印，并描述類器官生物學和生物打印技術的最新進展，可以在未來一起用于工程復雜組織。最后，展望了未來可能的發(fā)展方向，以激發(fā)類器官生物打印的進一步發(fā)展。

文章來源：
https://doi.org/10.1038/s44222-024-00268-0