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)學研究領域，類器官作為能高度模擬真實組織或器官的體外模型，受到廣泛關注；3D生物打印技術憑借對細胞的精準操控能力，在生物醫(yī)學應用中嶄露頭角。然而，類器官發(fā)展面臨結構功能優(yōu)化難題、與其他細胞及微環(huán)境互動不足、批次間差異大等問題。  

中國科學院上海硅酸鹽研究所呂宏旭、吳成鐵教授團隊，綜述了3D生物打印技術在類器官發(fā)展這一研究領域的進展。探討了當前3D生物打印在優(yōu)化類器官結構與功能、實現(xiàn)類器官血管化、改進生物墨水和打印參數(shù)等方面的進展。提出了通過精準調控干細胞行為、標準化打印流程、優(yōu)化生物墨水設計、融合多種技術、構建多器官平臺、拓展組織再生應用等策略推動類器官3D打印發(fā)展的觀點。相關工作以“Advancing organoid development with 3D bioprinting”為題發(fā)表在《Organoid Research》上。

圖1. 類器官與三維（3D）生物打印結合的發(fā)展與應用概述。

主要內容
1. 腸道管生物打印的過程和結果。從圖2可見腸道管形成過程，通過將器官樣干細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，染色圖像標記出不同細胞類型，如干細胞、潘氏細胞和腸道上皮細胞等。Alcian藍和核固紅染色顯示了腸道切片中的上皮細胞和杯狀細胞，還有處理后腸道管直徑隨時間的變化以及與其他細胞共打印后的區(qū)域圖像，這些都表明3D打印能構建出具有類似真實腸道結構特征的組織。

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、體內增強的成骨能力、免疫組化染色以及CT重建修復大鼠顱骨缺損的圖像，體現(xiàn)了3D打印構建的骨類器官能為骨組織再生提供有效支持。

圖3. 三維生物打印構建骨類器官的發(fā)展。

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

圖4. 三維生物打印構建腫瘤類器官的發(fā)展。

4. 通過3D打印實現(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，從細胞培養(yǎng)、聚合到構建血管網(wǎng)絡。心臟類器官的設計圖、3D打印的分支血管網(wǎng)絡、灌注后心臟組織的細胞活力、收縮和電刺激反應等圖像，表明3D打印可制造出具有灌注功能血管的心臟類器官，促進其功能發(fā)育。

圖5. 三維（3D）生物打印實現(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。實驗過程圖像顯示用碳納米管處理腸道類器官，光學圖像呈現(xiàn)其隨時間的發(fā)育情況。染色圖像標記不同上皮細胞，Western blot分析相關蛋白表達，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展示了磁增強神經(jīng)類器官的過程和空間圖案化器官轉移平臺，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瘤類器官的融合及組裝情況，體現(xiàn)了3D打印可精準操控神經(jīng)類器官的構建。

圖7. 三維生物打印構建神經(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。

結論
類器官因能逼真模擬組織器官結構功能、展現(xiàn)細胞間相互作用，在生物醫(yī)學研究中備受關注，但仍面臨結構功能需優(yōu)化、缺乏與其他細胞及微環(huán)境的互動、批次間差異大等挑戰(zhàn)。3D生物打印技術可精準定位細胞、構建合適結構體，在類器官發(fā)展中優(yōu)勢顯著，如優(yōu)化結構功能、營造生理微環(huán)境、實現(xiàn)高通量培養(yǎng)和構建大規(guī)模器官模型等。將3D生物打印與新方法結合，優(yōu)化打印參數(shù)和設備，能進一步推動類器官發(fā)展。未來，3D生物打印在類器官研究中可從多方面發(fā)力，如調控干細胞行為、規(guī)范打印流程、優(yōu)化生物墨水、融合其他技術、構建多器官平臺、拓展組織再生應用等，以充分發(fā)揮二者結合的潛力，推動生物醫(yī)學領域的進步。

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