3D 生物打印賦能類器官發(fā)展：現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)與展望

來源：EFL生物3D打印與生物制造

在生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域，類器官作為能高度模擬真實(shí)組織或器官的體外模型，受到廣泛關(guān)注；3D生物打印技術(shù)憑借對細(xì)胞的精準(zhǔn)操控能力，在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中嶄露頭角。然而，類器官發(fā)展面臨結(jié)構(gòu)功能優(yōu)化難題、與其他細(xì)胞及微環(huán)境互動不足、批次間差異大等問題。  

中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所呂宏旭、吳成鐵教授團(tuán)隊(duì)，綜述了3D生物打印技術(shù)在類器官發(fā)展這一研究領(lǐng)域的進(jìn)展。探討了當(dāng)前3D生物打印在優(yōu)化類器官結(jié)構(gòu)與功能、實(shí)現(xiàn)類器官血管化、改進(jìn)生物墨水和打印參數(shù)等方面的進(jìn)展。提出了通過精準(zhǔn)調(diào)控干細(xì)胞行為、標(biāo)準(zhǔn)化打印流程、優(yōu)化生物墨水設(shè)計、融合多種技術(shù)、構(gòu)建多器官平臺、拓展組織再生應(yīng)用等策略推動類器官3D打印發(fā)展的觀點(diǎn)。相關(guān)工作以“Advancing organoid development with 3D bioprinting”為題發(fā)表在《Organoid Research》上。

圖1. 類器官與三維（3D）生物打印結(jié)合的發(fā)展與應(yīng)用概述。

主要內(nèi)容
1. 腸道管生物打印的過程和結(jié)果。從圖2可見腸道管形成過程，通過將器官樣干細(xì)胞作為生物墨水成分，經(jīng)3D打印使其在空間聚集排列。明亮場圖像呈現(xiàn)了腸道發(fā)育情況，染色圖像標(biāo)記出不同細(xì)胞類型，如干細(xì)胞、潘氏細(xì)胞和腸道上皮細(xì)胞等。Alcian藍(lán)和核固紅染色顯示了腸道切片中的上皮細(xì)胞和杯狀細(xì)胞，還有處理后腸道管直徑隨時間的變化以及與其他細(xì)胞共打印后的區(qū)域圖像，這些都表明3D打印能構(gòu)建出具有類似真實(shí)腸道結(jié)構(gòu)特征的組織。

圖2. 腸道管生物打印。

2. 骨類器官的3D打印發(fā)展。圖3展示了優(yōu)化后的生物墨水在體外的成骨能力和自礦化特性，包括不同時間點(diǎn)生物打印骨類器官的總礦物體積、礦化密度等數(shù)據(jù)。還有體外培養(yǎng)不同天數(shù)的宏觀圖像、體內(nèi)增強(qiáng)的成骨能力、免疫組化染色以及CT重建修復(fù)大鼠顱骨缺損的圖像，體現(xiàn)了3D打印構(gòu)建的骨類器官能為骨組織再生提供有效支持。

圖3. 三維生物打印構(gòu)建骨類器官的發(fā)展。

3. 腫瘤類器官的3D打印成果。以膠質(zhì)母細(xì)胞瘤為例，圖4展示了自然膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的微環(huán)境和結(jié)構(gòu)，以及3D打印構(gòu)建膠質(zhì)母細(xì)胞瘤模型的過程。計算機(jī)模擬的氧濃度圖像、顯微鏡觀察圖像和細(xì)胞染色圖像，展示了打印構(gòu)建的腫瘤類器官能模擬自然腫瘤的結(jié)構(gòu)特性，如維持徑向氧梯度，為腫瘤研究提供了有效模型。

圖4. 三維生物打印構(gòu)建腫瘤類器官的發(fā)展。

4. 通過3D打印實(shí)現(xiàn)類器官血管化的過程和效果。圖5展示了“犧牲性寫入功能組織”的流程，從細(xì)胞培養(yǎng)、聚合到構(gòu)建血管網(wǎng)絡(luò)。心臟類器官的設(shè)計圖、3D打印的分支血管網(wǎng)絡(luò)、灌注后心臟組織的細(xì)胞活力、收縮和電刺激反應(yīng)等圖像，表明3D打印可制造出具有灌注功能血管的心臟類器官，促進(jìn)其功能發(fā)育。

圖5. 三維（3D）生物打印實(shí)現(xiàn)類器官的血管化。

5. 碳納米管對腸道類器官增殖和分化的影響。實(shí)驗(yàn)過程圖像顯示用碳納米管處理腸道類器官，光學(xué)圖像呈現(xiàn)其隨時間的發(fā)育情況。染色圖像標(biāo)記不同上皮細(xì)胞，Western blot分析相關(guān)蛋白表達(dá)，還有線粒體膜電位、氨基酸吸收熱圖等數(shù)據(jù)，表明碳納米管能促進(jìn)腸道類器官發(fā)育。

圖6. 納米碳管對腸道類器官增殖和分化的影響。

6. 3D打印用于神經(jīng)類器官的發(fā)展。圖7展示了磁增強(qiáng)神經(jīng)類器官的過程和空間圖案化器官轉(zhuǎn)移平臺，明亮場和免疫熒光染色圖像展示了神經(jīng)形態(tài)類器官和彌漫性橋腦膠質(zhì)瘤類器官的融合及組裝情況，體現(xiàn)了3D打印可精準(zhǔn)操控神經(jīng)類器官的構(gòu)建。

圖7. 三維生物打印構(gòu)建神經(jīng)類器官的發(fā)展。

7. 利用3D打印監(jiān)測視網(wǎng)膜類器官發(fā)育的情況。圖8呈現(xiàn)了帶有3D液態(tài)金屬電極的微電極陣列和3D前視網(wǎng)膜膜裝置，圖像展示了人視網(wǎng)膜類器官中的視網(wǎng)膜層、放置在微電極陣列上的視網(wǎng)膜類器官等。還有放電率變化和單個單位活動的圖表，能精準(zhǔn)監(jiān)測視網(wǎng)膜類器官發(fā)育過程中的電生理信號。

圖8. 三維（3D）生物打印分析視網(wǎng)膜類器官的發(fā)展。

結(jié)論
類器官因能逼真模擬組織器官結(jié)構(gòu)功能、展現(xiàn)細(xì)胞間相互作用，在生物醫(yī)學(xué)研究中備受關(guān)注，但仍面臨結(jié)構(gòu)功能需優(yōu)化、缺乏與其他細(xì)胞及微環(huán)境的互動、批次間差異大等挑戰(zhàn)。3D生物打印技術(shù)可精準(zhǔn)定位細(xì)胞、構(gòu)建合適結(jié)構(gòu)體，在類器官發(fā)展中優(yōu)勢顯著，如優(yōu)化結(jié)構(gòu)功能、營造生理微環(huán)境、實(shí)現(xiàn)高通量培養(yǎng)和構(gòu)建大規(guī)模器官模型等。將3D生物打印與新方法結(jié)合，優(yōu)化打印參數(shù)和設(shè)備，能進(jìn)一步推動類器官發(fā)展。未來，3D生物打印在類器官研究中可從多方面發(fā)力，如調(diào)控干細(xì)胞行為、規(guī)范打印流程、優(yōu)化生物墨水、融合其他技術(shù)、構(gòu)建多器官平臺、拓展組織再生應(yīng)用等，以充分發(fā)揮二者結(jié)合的潛力，推動生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)步。

文章來源：
https://www.accscience.com/journal/OR/1/1/10.36922/OR025040004