苏佳灿教授团队最新《Small》综述：3D生物打印构建关节类器官策略与应用

来源： EngineeringForLife

骨关节炎（OA）是一种长期发展的疾病，主要侵袭成年人，引发疼痛和功能障碍，全球大约有三亿人受其影响。OA的核心问题在于软骨遭受损害，包括细胞炎症和细胞外基质（ECM）的破坏。由于软骨组织缺乏血管和神经，其自我修复能力有限。再加上关节软骨具有独特的生物学特性和机械结构，使得对其进行重建和修复成为一项巨大的挑战。近年来，类器官技术成为软骨修复的新兴策略之一。类器官是由体外培养的干细胞构建的三维（3D）组织结构，能够模拟相应器官的组织和功能，为研究和开发提供了生理学相关的平台。构建关节类器官有助于模拟关节内的微环境，创建骨关节炎和类风湿关节炎等疾病模型，同时也可用于测试关节植入物的药物筛选和生物材料评价。

由于软骨代谢机制的复杂性以及对机械强度的高需求，与其他软组织的类器官相比，关节类器官的研究周期更长且具有挑战性。因此，目前对于关节类器官构建的研究仍然相对有限，仍是一个充满挑战的研究领域。近年来，3D生物打印和再生医学的发展为解决这些挑战提供了新的机会。3D生物打印具有高通量、高精度和自动化等优势，可以制造具有复杂结构的关节类器官，更好地模拟真实关节的微环境。

近期，上海交通大学新华医院/上海大学转化医学研究院苏佳灿教授团队从3D建模、打印方式、生物墨水和培养条件四方面总结了构建关节类器官的方法。他们特别强调了3D生物打印在这一领域的相关研究，提出了关节类器官构建的阶段性策略，为该领域的研究提供了新的思路。该综述文章以"Small joint organoids 3D bioprinting: Construction strategy and application"为题，发表在《Small》期刊。苏佳灿教授、上海大学任肖湘助理研究员与西安红会医院周凤金教授为文章的共同通讯作者。

1. 关节组织的生物学结构
以膝关节为代表的关节在解剖学上通常分为三个组成部分:关节面、关节囊和关节腔。关节面是关节头与关节窝相邻的表面，由关节软骨覆盖。关节囊具有外纤维层和产生滑液的内滑液层，可以帮助减少摩擦。髌下脂肪垫将关节囊的纤维层与滑膜层分开，并将后者推向关节软骨表面。关节腔是由关节软骨和关节囊包围的狭窄空间。软骨退变是许多关节疾病的共同特征，但组织的相互关联性不可避免地导致其他关节成分的致病性改变，如滑膜炎、髌下脂肪垫炎症或软骨下骨重塑。因此，作者也重点讨论了关节软骨、滑膜和髌下脂肪垫等三个部分，其中关节软骨可以分为透明软骨、钙化软骨和软骨下骨。它们是关节的基本组成部分，对关节的健康和功能起着至关重要的作用。

图1 关节的生理学结构

2. 3D打印技术

(1) 喷墨打印
3D喷墨打印是一种与传统喷墨打印机原理相同的方法，利用声波或热量来制造生物材料的液滴，从而形成所需的形状。这种技术可分为两类，声学喷墨打印和热敏喷墨打印。声学喷墨打印机的主要优点是它避免了对生物材料使用热量和压力，减少了喷嘴堵塞的可能性。然而，可以打印材料的粘度是有限的。热喷墨打印机的优点，如打印速度快，易于控制和广泛的适用性。

(2) 挤压式打印
基于挤压的打印是一种常见的3D生物打印方法，允许打印具有不同粘度和高密度聚合物的各种水凝胶聚合物溶液。这种印刷技术使用柱塞、旋转或气动压力将材料挤出喷嘴。与其他方法相比，机械驱动的方法提供了更好的流量调节，从而提高了打印精度。但是挤压压力太大会对细胞活性产生负面影响。

(3) 激光辅助打印
激光辅助生物打印使用双层结构，可以对激光刺激做出反应。它由上面的能量吸收层和下面的生物墨水溶液层组成。激光脉冲聚焦在吸收层上，导致下层形成高压液体气泡。然后将混合了细胞的生物墨水喷射到打印平面上。激光辅助打印种细胞更加活跃，并且具有非常高的打印分辨率，甚至可以打印单个细胞。然而，由于高精度激光器的高成本，这些打印机并没有广泛应用于实验室。

(4) 光固化打印
光固化打印是一种广泛使用的3D打印方式，特别是在软骨和骨修复领域。这些打印方式利用光诱导聚合从一桶树脂中制造出三维结构。它可以分为几种不同类型的光固化3D打印技术，如立体光刻技术(SLA)，数字光处理(DLP)和液晶显示技术(LCD)，每一个都有自己独特的特点。与其他打印方法相比，光固化生物打印相对较快，并且细胞存活率高，因为在打印过程中不需要对材料施加机械力。

图2 四种不同的打印方式

图3 几种不同的生物墨水

表1 几种不同生物墨水的优缺点和应用

3. 生物3D打印关节类器官的构建策略
关节是由多种组织组成的复杂结构，包括髌下脂肪垫、肌腱、韧带和半月板。然而，构建一个完整的关节类器官来模拟关节各部分的动态环境是一个挑战。因此，提出的策略主要集中在模拟关节软骨和软骨下骨的体内微环境。在本文中，作者提出了构建关节类器官的三部曲，包括构建基础关节类器官策略、结构化关节类器官策略和功能化关节类器官策略。

图4 生物3D打印关节类器官的构建策略

4. 生物打印关节类器官的应用
类器官有可能彻底改变关节疾病的研究及其治疗。传统的2D和3D细胞培养模型缺乏体内关节组织的复杂性和生理相关性，相比之下，类器官提供了一种在器官水平上模拟关节病理的实验上更可行的方法。动物模型提供了现实的微环境，但也引起了伦理问题。类器官技术的出现提供了一个有希望的替代方案，提供了一种在器官水平上模拟关节病理的实验上更可行的方法。此外，关节类器官在关节修复方面也具有广阔的应用前景。关节类器官在关节修复中的一个很有前景的应用是能够改造和再生软骨组织。由患者来源的组织构建的类器官可以通过确定每个患者的最佳药物来实现个性化医疗。就像药物测试一样，关节类器官可以用来评估各种植入材料的功效，包括医用金属、陶瓷和聚合物。这对于开发可用于治疗关节疾病和损伤的新型植入材料尤为重要。

图5 关节类器官的应用

5. 总结和展望
构建关节类器官是一个复杂的过程，需要考虑多种细胞类型、生物材料组合和生长因子调节。关节类器官的可重复性和稳定性仍然需要改进，如干细胞定向分化、血管化和免疫等挑战是关键问题。尽管存在这些挑战，3D生物打印和干细胞研究在构建关节类器官方面具有巨大的潜力。我们相信3D生物打印作为一种新方法将为关节组织建模和关节疾病治疗提供很多机会。

文章来源：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202302506