3D生物打印藻類可用作工程血管化組織中人類細(xì)胞的可持續(xù)氧源

研究人員在11月18日出版的《物質(zhì)》雜志上報(bào)道，三維生物打印藻類可用作工程血管化組織中人類細(xì)胞的可持續(xù)氧源。他們將生物打印的光合藻類與來(lái)自人類肝臟的細(xì)胞嵌入3D水凝膠基質(zhì)中，以創(chuàng)建類似小葉的蜂窩狀組織，類似人類肝臟。研究人員表示，在未來(lái)，這種環(huán)保、高性價(jià)比的3D生物打印方法可能在疾病建模、藥物開發(fā)、再生和個(gè)性化醫(yī)學(xué)甚至食品工程等應(yīng)用中具有潛力。

資深研究作者Y. Shrike Zhang(哈佛醫(yī)學(xué)院和布里格姆女子醫(yī)院的生物工程師)說：“這項(xiàng)研究是共生組織工程中的第一個(gè)真正的例子，它使用3D生物打印，以一種生理學(xué)上有意義的方式將植物細(xì)胞和人類細(xì)胞結(jié)合起來(lái)?！??！拔覀兊难芯刻峁┝艘粋€(gè)獨(dú)特的例子，說明我們?nèi)绾卫米匀唤缰谐Ｒ姷墓采呗詠?lái)增強(qiáng)我們改造人類功能組織的能力?！?

為了替代器官功能，恢復(fù)器官功能，對(duì)人工組織的需求越來(lái)越大，在過去的十年中，三維生物打印技術(shù)被用于制造生物醫(yī)學(xué)和組織工程應(yīng)用的組織支架。該方法通常包括在表面沉積生物墨水，以產(chǎn)生具有所需結(jié)構(gòu)和形狀的三維結(jié)構(gòu)，從而概括包括血管在內(nèi)的器官和組織，血管在將氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸送到全身方面起著關(guān)鍵作用。Bioink本質(zhì)上是一種含有活細(xì)胞、生物材料和其他生長(zhǎng)補(bǔ)充劑的水凝膠。它模擬所需組織的細(xì)胞外基質(zhì)，支持包埋細(xì)胞的生長(zhǎng)。

盡管三維組織的制造已經(jīng)取得了進(jìn)展，但主要的限制是在整個(gè)工程組織中保持足夠的氧氣水平，以促進(jìn)細(xì)胞的存活、生長(zhǎng)和功能。研究人員試圖通過混合釋放氧氣的生物材料來(lái)解決這個(gè)問題，但這些材料通常不能長(zhǎng)時(shí)間工作，有時(shí)對(duì)細(xì)胞有毒，因?yàn)樗鼈儠?huì)產(chǎn)生過氧化氫或其他活性氧等分子。張說：“迫切需要一種能夠從工程組織內(nèi)部持續(xù)釋放氧氣的方法?！?

為了滿足這一需求，張和他的同事開發(fā)了一種基于藻類的3D生物打印方法，該方法將血管模型結(jié)合到工程組織中，并為組織中的人類細(xì)胞提供了可持續(xù)的氧源。具體來(lái)說，他們使用了被稱為萊茵衣藻的光合單細(xì)胞綠藻。這種共生策略對(duì)藻類也有好處，藻類的生長(zhǎng)部分是由周圍人體細(xì)胞釋放的二氧化碳支撐的。

第一步涉及3D生物打印藻類。研究人員將萊茵石藻封裝在一種主要由纖維素組成的生物墨水中，纖維素是植物、藻類和真菌的主要結(jié)構(gòu)成分。生物墨水用針頭裝入注射器，生物打印機(jī)用于擠壓生物打印。

接下來(lái)，研究人員將生物打印的藻類和人體肝臟細(xì)胞嵌入三維水凝膠基質(zhì)中。生物打印萊茵衣藻通過光合作用釋放氧氣，增強(qiáng)人體細(xì)胞的活力和功能。人類細(xì)胞生長(zhǎng)到高密度并產(chǎn)生肝臟特異性蛋白質(zhì)。張說：“以前很難在工程血管化的人體組織中獲得高細(xì)胞密度?！?

最后，研究人員利用纖維素酶降解基于纖維素的生物墨水，然后用人體血管細(xì)胞填充左側(cè)中空微通道，從而在類肝組織中形成血管網(wǎng)。張說：“這種逃逸的生物墨水的開發(fā)允許在單個(gè)組織構(gòu)建體中進(jìn)行初始氧化和隨后的血管生成，這還沒有報(bào)道。”"這是成功完成動(dòng)態(tài)和功能性組織工程的關(guān)鍵一步."

最后，三維血管化氧化工程組織具有未來(lái)植入的潛力，可以實(shí)現(xiàn)人體組織再生。如果使用患者特異性細(xì)胞，這些組織還可用于藥物篩選和開發(fā)、疾病機(jī)制研究和個(gè)性化藥物。

三維生物打印技術(shù)的另一個(gè)潛在應(yīng)用是食品工程。它代表了微藻蛋白質(zhì)、碳水化合物、多不飽和脂肪酸、類胡蘿卜素、維生素和必需礦物質(zhì)的豐富來(lái)源。這些生物活性化合物可以混合到創(chuàng)新的養(yǎng)殖食品中，以提高其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，促進(jìn)健康。

但與此同時(shí)，還需要更多的努力來(lái)優(yōu)化這種方法。例如，可以改進(jìn)培養(yǎng)基以促進(jìn)萊茵衣藻和人類細(xì)胞的生長(zhǎng)，并且可以調(diào)節(jié)光照條件以優(yōu)化藻類的氧氣供應(yīng)。此外，對(duì)藻類的生物安全性、毒性和免疫相容性的詳細(xì)研究將對(duì)未來(lái)的臨床翻譯具有重要意義。張說：“這項(xiàng)技術(shù)不能馬上用于人類?！薄斑@還是概念的證明，需要大量的后續(xù)研究來(lái)翻譯。”

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