《AFM》：通过环境控制的3D生物打印组织，有望克服肥胖并发症

来源：材料科学与工程

脂肪组织是重要的内分泌器官，通过与其他器官协调从而在代谢调节中起关键作用。然而，用完全填充的脂肪生成脂滴重建天然脂肪组织的形态仍然具有挑战性，主要是因为当前脂肪结构的细胞密度低导致脂肪生成不成熟。

来自韩国浦项科技大学和釜山国立大学的学者开发了一种在体外进行环境控制的浴内3D生物打印技术，以创造完全成熟的致密包装脂肪组织(DPAT)。以1%海藻酸盐和1.5%脂肪脱细胞基质组成的混合生物墨水作为沐浴悬浮液，用于细胞的选择性和致密增殖。在混合浴悬浮液中，以高细胞密度(>107cell ml−1)打印的构建体在预定区域内增殖，而不会在整个浴液中出现不必要的细胞迁移，从而形成致密的细胞微环境。结果表明，成脂4周后，选择性增殖的前脂肪细胞可以分化为积脂的成熟脂肪细胞。所得到的体内的类DPAT在体外成功地进行了工作。DPAT结构显示了肥胖患者在相关条件下与肥胖相关的生理变化。通过与单核细胞共培养重现肥胖引起的炎症脂肪组织，揭示了所提出的策略作为克服肥胖相关并发症的一种有希望的解决方案的有效性。相关文章以“Engineering Densely Packed Adipose Tissue via Environmentally Controlled In-Bath 3D Bioprinting”标题发表在Advanced Functional Materials。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202200203

图 1.本研究中亮点和工作流程的示意图。A）脂肪组织的解剖学及其与几个器官的代谢通讯。B）用于环境控制浴内3D生物打印的概念设计，目的是创建DPAT结构。C）DPAT结构工程中涉及的工作流程和时间表。

图 2. 建立混合浴生物墨水配方以指导预定义区域的选择性细胞增殖。A) 当载有细胞的生物墨水在环境受控和不受控制的条件下被挤出时，浴中 3D 生物打印的示意图。本文用流变学用于确认 B) Bingham 塑性行为和 C) 四种不同混合生物墨水 (n = 3) 的剪切恢复特性。D)显示藻酸盐和含Ca2+溶液交联后形态变化的荧光结果。E) 在第 0 天通过显微镜以直线观察浴中打印的细胞结构，并用 DAPI 和 F-肌动蛋白染色它们的荧光图像，以确认初始打印区域内的细胞密度。F) 细胞占据的相对面积和 G) 将载有前脂肪细胞的生物墨水挤出到不同的混合浴生物墨水成分 (n = 3) 中时的细胞增殖能力的定量结果。

图 3. 由传统脂肪组织工程方法和环境控制的浴内 3D 生物打印创建的脂肪组织等效物的形态学比较。A) 实验组示意图。B) BODIPY 染色显示成熟脂肪细胞的脂滴。定量结果显示 C) 直径和 D) 每组中每单位面积的成熟脂肪细胞数 (n = 3)。

图 4. 对通过传统脂肪组织工程方法和环境控制的浴内 3D 生物打印创建的脂肪组织等效物进行定量分析。代表性脂肪因子的分泌水平：A) 脂联素和 B) 瘦素 (n = 3)。C) 脂肪生成和脂肪生成相关基因表达的 qRT-PCR 结果 (n = 3)。

图 5.评估肥胖诱导的DPAT构建体中与体内肥胖脂肪组织相关的病理特征。A）健康和肥胖脂肪组织中胰岛素刺激的葡萄糖摄取的改变。B）在正常血糖（健康）和肥胖诱导（肥胖）条件下培养的DPAT构建体的BODIPY结果。D）细胞内甘油三酯和E）晚期糖基化终产物积累的定量分析（n = 3）。

图 6.通过与单核细胞共培养，在 DPAT 结构中重现慢性低度脂肪炎症。A) 示意图展示了健康和肥胖脂肪组织中脂肪组织巨噬细胞的代谢调节。B) 示意图和 C) 使用肥胖DPAT 构建体的 透射趋化性实验的照片。D) 用 DiI (红色) 染色的迁移单核细胞。从插入物下方的培养基中收集单核细胞。E) 迁移的单核细胞数 (n = 3)。F) 抗炎和 G) 促炎细胞因子的 qRT-PCR 结果通过收集四个细胞样本 (n = 3)：1) 由成熟脂肪细胞组成的健康 DPAT 构建体；2)由成熟的脂肪细胞和单核细胞组成的健康单核细胞；3)由肥胖诱导的成熟脂肪细胞组成的肥胖DPAT构建体；4)由肥胖诱导的成熟脂肪细胞和单核细胞组成的肥胖单核细胞。H) 健康单核细胞和 I) 肥胖单核细胞的水平横截面积的免疫荧光图像。定量分析单位面积（n=3）中J）CD208-和K）CD68阳性炎症细胞的数量

总之，这项研究提出了一种环境控制的3D生物打印技术，可以在体外创建形态和功能上的仿生脂肪组织。为此，本文基于流变学和生物学分析开发了一种用于指导选择性细胞增殖的混合生物墨水。所提出的技术允许前脂肪细胞位于预定义的限制区域，并在 28 天后成功地成为由富含脂质的成熟脂肪细胞组成的 DPAT 结构。与传统工程方法产生的相比，所获得的 DPAT 构建体在大小上与体内成熟的脂肪细胞相似，并且表现出最高水平的代表性脂肪基因表达和脂肪因子分泌。进一步证明，DPAT 构建体可以通过脂肪细胞肥大和增加的胰岛素抵抗来概括与长期营养过剩下的肥胖相关的病理变化。单核细胞向肥胖的 DPAT 结构迁移并分化为 M1 巨噬细胞，导致脂肪组织出现慢性炎症。当单核细胞共培养时，它们根据其驻留状态主要分化为 M1 或 M2 巨噬细胞。此外，冠状结构证明了体外 DPAT 结构中慢性发炎的脂肪组织的成功再现。总体而言，本文提出的生物打印策略显示出作为解决与脂肪组织相关的几种并发症和疾病的可靠工程平台的潜力。未来的研究应包括当前 DPAT 结构中的血管化，以确保营养供应。