維克森林的3D打印肝組織被運往太空進行研究

2024年8月3日，南極熊獲悉，諾斯羅普·格魯曼（Northrop Grumman）公司的第21次補給任務（NG-21）將向國際空間站（ISS）發(fā)射3D打印的肝臟組織，以研究其在微重力環(huán)境下的行為和功能。該研究由再生醫(yī)學先驅(qū)Anthony Atala和生物打印專家James Yoo領導，他們所在的維克森林再生醫(yī)學研究所（WFIRM）團隊將確定太空的獨特條件是否有助于這些復雜組織的生長和發(fā)育。



NG-21任務將向國際空間站運送920公斤的科學實驗品和補給。這項由NASA、國際空間站國家實驗室和Redwire公司（太空3D打印的先驅(qū)）支持的3D打印肝臟組織項目，將評估微重力如何影響血管化肝臟組織的形成和維持。


△ 美國宇航局血管組織挑戰(zhàn)賽的第一名獲勝者溫斯頓團隊使用一個腔室來容納打印的組織并測試灌注

Anthony Atala在ISS網(wǎng)絡研討會上表示，該項目建立在2016年啟動的NASA血管組織挑戰(zhàn)賽的成功之上。這一競賽要求科學家們創(chuàng)造厚度足夠、血管化的組織，能夠在體外至少存活30天。比賽于2021年結(jié)束，來自維克森林的兩個團隊勝出，第一個獲勝團隊獲得了30萬美元的獎金以及在ISS上進一步開展研究的機會。


△  A）生物打印的血管化結(jié)構(gòu)，具有由互連通道組成的陀螺體設計 B）生物打印的人肝組織結(jié)構(gòu) C）含有組織結(jié)構(gòu)的流通室連接到灌注系統(tǒng)

為什么選擇肝臟？


△  設計陀螺結(jié)構(gòu)

肝臟是一個特別難復制的器官，因其體積大、結(jié)構(gòu)復雜且血管網(wǎng)絡密集。為解決這些難題，WFIRM的團隊利用數(shù)字光投影（DLP）打印機創(chuàng)建了3D打印的組織塊，以模仿肝臟的自然架構(gòu)。通過這項技術(shù)復制了肝臟組織的gyroid結(jié)構(gòu)，允許包含功能性血管通道。隨后，這些結(jié)構(gòu)被接種細胞，以實現(xiàn)長期功能，使組織能夠自我維持較長的時間。

Anthony Atala表示，一旦3D打印的肝臟組織結(jié)構(gòu)進入太空，他們期待了解這些組織在微重力環(huán)境中的表現(xiàn)。微重力可能會促進大型生物打印組織和器官的發(fā)展與成熟，而這些在地球上由于血管化問題而難以維持。研究人員將有機會在微重力下研究組織結(jié)構(gòu)，這可能導致細胞形狀、大小、體積及粘附屬性的變化。

進入太空



△  多用途 Variable-g 平臺 （MVP） 設施可容納多達 12 個科學模塊

名為“零重力下血管化肝臟組織構(gòu)建的成熟”（MVP Cell-07）的實驗包括12個實驗模塊，每個模塊包含三個組織樣本。這些模塊是特制容器，配備有營養(yǎng)供給、溫度控制和廢物移除系統(tǒng)，確保實驗期間組織樣本保持活性。它們將在軌道上的MVP設施中進行環(huán)境控制。該MVP設施由Techshot開發(fā)（現(xiàn)隸屬于Redwire），于2018年4月通過SpaceX CRS-14前往ISS，用于執(zhí)行各種研究項目，包括涉及人造重力和多種樣本類型的環(huán)境控制。

● 實驗開始時，模塊將從帶電載體中取出并打開，以便宇航員安裝新鮮的介質(zhì)袋。當模塊置于MVP設施中并啟動自動泵定時后，36個組織樣本將在十天內(nèi)進行處理。
● 第十天，12個實驗模塊將從MVP設施中移出進行宇航員操作。四個模塊中的生物室將被取出、固定并放入冷儲藏。還將從每個組織樣本收集的介質(zhì)中取樣。然后，剩余八個模塊中的介質(zhì)袋將被更換，然后再裝入MVP設施。
● 第二十天，再移出四個生物室，固定并儲存在冷處。在剩余四個模塊中收集介質(zhì)樣本，并替換新的介質(zhì)袋。
● 第三十天，最后四個生物室將被移出、固定并儲存。這一過程將展示組織在微重力環(huán)境中不同時間點的發(fā)展。


△  在其動力載體中配置了六個模塊，用于上升。載體在冷袋中發(fā)射時有助于將培養(yǎng)基灌注到組織中，從而保持約 37°C 以進行 MVP Cell-07 研究

在太空中進行這項實驗提供了獨特的優(yōu)勢。在地球上，重力會導致打印組織內(nèi)的細胞分布不均。然而，在ISS的微重力環(huán)境下，細胞可以更均勻地分布，可能促進更好的組織形成。

Anthony Atala表示，此次研究的主要目標是理解微重力如何影響功能性組織的發(fā)展與維護。這次實驗將提供寶貴的信息，了解含血管的生物打印組織在微重力下的行為，以及毛細血管狀血管是否能在工程組織中發(fā)展出來。


△  多用途 Variable-g 平臺 （MVP） 電池實驗模塊。12 個模塊運行，每個模塊包含用于 MVP Cell-07 研究的三個樣本條件

團隊在不同的階段（10天、20天和30天）分析肝臟組織，關(guān)注基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組和代謝組水平。這些分析將幫助研究者理解微重力如何在多個生物學層面影響肝臟組織，從基因表達到蛋白質(zhì)生產(chǎn)及代謝變化，為了解太空條件如何改善組織工程技術(shù)提供了見解，實驗結(jié)果可能對未來的太空組織工程、地球上的患者治療改進以及保障未來長期太空任務中宇航員的健康產(chǎn)生深遠的影響。


△  多用途 Variable-g 平臺 （MVP） 可以在兩種不同的重力條件下運行，范圍從微重力到 2g

研究意義

Anthony Atala表示，“構(gòu)建組織和器官的能力是領域內(nèi)的一項重大突破，WFIRM有一個優(yōu)秀的團隊將這項技術(shù)從實驗室?guī)У讲〈策叀６�太空將幫助團隊在地球上更好地制造組織，這有助于降低成本、擴大技術(shù)規(guī)模并加速這些技術(shù)在地球乃至太空的應用�！�


△  3D打印組織

幾十年來，Anthony Atala和James Yoo在WFIRM的3D打印組織和器官方面取得了顯著進展。他們利用生物3D打印技術(shù)成功制造了不同的組織，包括血管、心臟瓣膜甚至微型器官。一個杰出的成就是開發(fā)了實驗室培育的膀胱，已成功植入患者體內(nèi)。他們的工作旨在減少對捐贈器官的依賴，通過在實驗室創(chuàng)造功能性的可移植組織和器官，推動再生醫(yī)學和生物打印的發(fā)展。