水凝胶中“长出”微型器官，伦敦大学科学家使用 3D 生物打印了解癌症传播途径

2023年6月12日，南极熊获悉，来自伦敦大学学院（UCL）大奥蒙德街医院和帕多瓦大学的科学家展示了如何通过生物3D 打印技术实现在水凝胶中“生长出”微型器官，这有助于更好地了解癌症如何通过不同组织扩散。这项新技术可以帮助控制微型器官的形状和活动，甚至可以迫使组织长成“模具”。据 UCL 称，研究团队希望通过这种方式能够制作出更逼真的器官和疾病模型，并更准确地研究细胞和器官。

相关研究以题为“Hydrogel-in-hydrogel live bioprintingfor guidance and control of organoids and organotypic cultures/用于指导和控制类器官和器官型培养物的水凝胶包水凝胶活体生物打印”的论文被发表在《Nature Communications》期刊上，由AnnaUrciuolo, Giovanni Giuseppe Giobbe等人撰写。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-37953-4#Ack1

类器官科学是扎耶德研究中心（伦敦大学学院大奥蒙德街儿童健康研究所和大奥蒙德街医院的合作伙伴）的专业研究领域之一。它涉及创建微型版本的器官，例如胃、肠和肺。然而，组织几乎总是以不受控制的方式生长，并不代表自然器官的复杂结构。这一点尤为重要，因为器官的形状和结构与其细胞构成一样重要。

这项发表在《自然》杂志上的新研究首次展示了科学家如何在预先存在的凝胶中创建固体结构并实时固化出特定的形状，这一切都要归功于高分辨率显微镜。这意味着生长中的微型器官或整个类器官中的任何细胞都将以特定方式生长。

图 1水凝胶打印的性能

图 2 水凝胶中水凝胶实时生物打印的时间控制和 oSpCs 的受控轴突引导

图 3 用于研究类器官 3D 培养物中癌细胞迁移的水凝胶活生物打印

图 4 通过水凝胶水凝胶活体打印超类器官驱动肠道类器官形态发生

图 5水凝胶中水凝胶活生物打印对类器官和器官型培养物施加的 3D 几何约束

例如，为了研究癌症如何穿过不同硬度和密度的组织，该团队在癌细胞周围创建了硬化凝胶笼，并监测它们的运动如何根据周围环境的密度而变化——这是了解癌症扩散的一个重要过程。

通过创建更好的疾病模型，研究人员希望未来的研究更加可靠，产生质量更好的结果，并最终减少动物研究。

研究团队现在计划使用生物打印技术来重建器官，以及研究当器官不能正常生长时其功能会发生什么变化，例如在怀孕早期出现的许多畸形。这项工作还可以通过在活体器官中输送生物学上准确的“补丁”来进行治疗。

这项研究的共同主要作者、伦敦大学学院大奥蒙德儿童街的 Giovanni Giobbe 博士说：“由于我们对聚合物凝胶进行了微小而复杂的调整，看到这些精确的结构开始在我们眼前形成，真是太神奇了。我们真的很高兴看到这项成果可以帮助我们进一步了解人类疾病，甚至有朝一日可以应用到临床治疗上。”

为了探索生物打印技术的用途，研究团队将该方法应用于几种不同的情况。例如，为了研究神经元，类器官研究传统上会产生无法分离和研究的无序神经元束。然而，这项技术允许该团队为神经元创造硬化的凝胶“轨道”来沿着它生长，就像竞赛游泳池的泳道一样。

同时，为了确保微观肠道的形状与“真实”发育中的肠道相同，研究团队创建了一个复杂的水凝胶模具，该模具可引导类器官形成模仿正在发育的肠道复杂结构（称为“隐窝”和“绒毛”）的形状。同样，科学家们能够设计一种水凝胶来促进肺细胞产生分支，就像它们在真实肺中所做的那样。

NIHR GOSH BRC 组织与工程和再生医学主题的负责人、伦敦大学学院大奥蒙德街儿童健康研究所的 Paolo De Coppi 教授（他是 GOSH 的儿科外科医生，也是合作伙伴）说：“这项工作是一个很好的例子，说明我们如何将跨学科的国际团队聚集在一起，以改进我们的研究并使患者受益。在英国专门从事类器官研究的 GOSH 和 UCL 团队，与专门从事凝胶打印设计和应用的意大利团队合作，使这项具有重大意义的研究成果得以实现。这将对基于实验室的研究产生影响，以提高我们对疾病的理解，甚至也有可能应用到临床和治疗。”

这项工作的下一步将是研究这些受控、模制和定向的微型器官，以更好地了解它们如何模仿体内的真实器官和状况。

来自帕多瓦大学的、儿科研究所神经肌肉工程实验室的负责人Anna Uriuolo 博士说：“这项工作是生物医学研究中正在爆发的多学科方法的进步的一个典范。在实验室中复制器官模型的能力，以及帮助科学家在实验台上再现健康和疾病组织和器官复杂性技术的发展，是推动未来医学发展的开始。”

这项工作得到了帕多瓦大学2017年STARS-WiC资助、帕多瓦大学Progetti di Eccellenza CaRiPaRo、TWINNING、Oak Foundation Award、AFM Telethon、意大利威尼托大区'Consorzio per la Ricerca Sanitaria'（CORIS）（LifeLab Program）、欧洲研究委员会（ERC，RerOids）对N.E.的资助、 以及帕多瓦大学2017年STARS启动资金和IRP巩固者给A.U.、NIHR GOSH生物医学研究中心和GOSH儿童慈善机构的拨款资助。