內(nèi)分泌脂肪單元賦能皮膚再生：3D 生物打印引領(lǐng)組織工程新變革

來源：EFL生物3D打印與生物制造

近年來，脂肪組織被重新定義為代謝活躍的內(nèi)分泌器官，其分泌的脂肪因子對(duì)維持組織穩(wěn)態(tài)和促進(jìn)再生意義重大，在生物研究和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域備受關(guān)注。目前，脂肪組織工程面臨諸多挑戰(zhàn)：一方面，模擬其天然結(jié)構(gòu)和密集脂滴存在困難，現(xiàn)有技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)高效的成脂分化；另一方面，脂肪組織與其他組織的整合研究不足，限制了對(duì)其在代謝穩(wěn)態(tài)和組織修復(fù)中作用的理解。  

釜山國立大學(xué)醫(yī)學(xué)研究所的Byoung Soo Kim教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種快速組織打印方法，通過流變學(xué)和計(jì)算分析優(yōu)化聚己內(nèi)酯（PCL）框架，在0.3秒內(nèi)擠出負(fù)載前脂肪細(xì)胞的生物墨水構(gòu)建脂肪單元。針對(duì)前脂肪細(xì)胞遷移抑制脂滴形成的問題，團(tuán)隊(duì)研制出限制細(xì)胞遷移、促進(jìn)脂肪細(xì)胞成熟的混合生物墨水，并計(jì)算出最佳脂肪單元直徑（≤600μm）。此外，團(tuán)隊(duì)將脂肪模塊與真皮模塊整合，驗(yàn)證其內(nèi)分泌功能。相關(guān)工作以“3D Bioprinting‐Assisted Tissue Assembly of Endocrine Adipose Units for Enhanced Skin Regeneration”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。該研究為構(gòu)建大規(guī)模、多細(xì)胞的3D復(fù)合組織提供了新策略，推動(dòng)了脂肪組織在再生醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。

研究內(nèi)容
1. 通過多種實(shí)驗(yàn)研究生物墨水及組織單元特性
通過制備不同濃度的AdECM生物墨水并進(jìn)行流變學(xué)測(cè)試、CFD模擬，研究了支撐生物墨水的流變特性對(duì)組織單元形狀和穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，1%和1.5%濃度的生物墨水具有合適的彈性，能形成穩(wěn)定的球形組織單元，確定1%濃度為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的最佳選擇。

圖2. 嵌入式組織單元打印的開發(fā)。

2. 探究混合生物墨水對(duì)細(xì)胞行為及成脂分化的影響
通過在1% AdECM生物墨水中添加不同濃度藻酸鹽制備混合生物墨水，進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)和基因表達(dá)分析，研究其對(duì)前脂肪細(xì)胞遷移、增殖和分化的影響。結(jié)果顯示，含0.5%藻酸鹽的混合生物墨水能有效阻止細(xì)胞分散，促進(jìn)局部增殖和早期成脂分化。

圖3. 利用含藻酸鹽的混合支撐生物墨水進(jìn)行嵌入式生物打印以創(chuàng)建密集細(xì)胞環(huán)境。

3. 確定脂肪單元的最佳直徑
通過調(diào)節(jié)氣動(dòng)壓力控制脂肪單元大小，使用缺氧檢測(cè)試劑盒和基因表達(dá)分析，研究不同直徑脂肪單元的缺氧情況。結(jié)果表明，直徑600μm的脂肪單元能最大程度減少缺氧，保持細(xì)胞功能，后續(xù)實(shí)驗(yàn)均采用該尺寸。

圖4. 開發(fā)嵌入式組織單元打印方法以優(yōu)化脂肪單元直徑。

4. 分析脂肪單元空間排列對(duì)其功能的影響
構(gòu)建不同間距的脂肪模塊，進(jìn)行qRT-PCR分析、BODIPY染色及激素分泌檢測(cè)，研究脂肪單元空間排列對(duì)成脂成熟和內(nèi)分泌功能的影響。結(jié)果表明，較小間距（如1000μm）能促進(jìn)成脂成熟，增強(qiáng)內(nèi)分泌反應(yīng)的動(dòng)態(tài)功能。

圖5. 基于脂肪單元排列的形態(tài)和功能評(píng)估。

5. 評(píng)估3D打印脂肪模塊對(duì)傷口愈合的作用
搭建3D打印輔助傷口劃痕實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，引入脂肪單元與皮膚細(xì)胞共培養(yǎng)，觀察細(xì)胞遷移和分析相關(guān)基因表達(dá)，研究脂肪模塊內(nèi)分泌信號(hào)對(duì)皮膚細(xì)胞遷移和傷口愈合的影響。結(jié)果顯示，近端排列的脂肪單元顯著促進(jìn)傷口愈合，上調(diào)細(xì)胞遷移相關(guān)基因表達(dá)。

圖6. 使用3D打印輔助傷口劃痕平臺(tái)評(píng)估脂肪模塊旁分泌信號(hào)對(duì)傷口愈合的影響。

6. 體內(nèi)評(píng)價(jià)含內(nèi)分泌脂肪單元的組織組裝效果
構(gòu)建脂肪模塊與真皮模塊集成的組織組裝體，植入裸鼠全層皮膚傷口模型，進(jìn)行H&E染色、免疫組化等檢測(cè)，研究其在體內(nèi)促進(jìn)傷口愈合的效果和機(jī)制。結(jié)果表明，含脂肪單元的組織組裝體顯著加速傷口愈合，促進(jìn)血管化和再上皮化。

圖7. 使用快速組織組裝技術(shù)制備的組織組裝體的體內(nèi)評(píng)價(jià)。

研究結(jié)論
本研究開發(fā)了一種新型組織組裝策略和混合生物墨水，用于構(gòu)建密集的脂肪組織以促進(jìn)皮膚再生。通過詳細(xì)的流變學(xué)分析和計(jì)算模擬，優(yōu)化了脂肪單元的打印過程，實(shí)現(xiàn)了高精度和結(jié)構(gòu)保真度。混合生物墨水經(jīng)特殊設(shè)計(jì)，可限制細(xì)胞遷移，促進(jìn)密集脂滴的形成，這對(duì)脂肪組織的最佳功能至關(guān)重要。此外，設(shè)計(jì)了通用的PCL框架，實(shí)現(xiàn)了脂肪單元與相鄰皮膚組織替代物的整合。這種工程化復(fù)合組織與真皮模塊相結(jié)合，有效利用脂肪組織的內(nèi)分泌活性加速了皮膚再生，凸顯了該方法在再生醫(yī)學(xué)中制造大型多細(xì)胞復(fù)合組織的潛力。盡管本研究引入了包含內(nèi)分泌組織的新方法，但血管化仍是成功制造體積型3D組織構(gòu)建體的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。未來將聚焦于開發(fā)管狀血管模塊，并通過“類樂高”組裝方法與預(yù)先構(gòu)建的脂肪和皮膚組織整合，提升組織工程應(yīng)用能力。

文章來源：
https://doi.org/10.1002/adfm.202419680