Nature Materials | 新型类器官打印技术实现大尺寸组织构建

来源：上普生物

瑞士洛桑联邦理工学院Matthias P. Lutolf课题组近期在Nature Materials发表“Recapitulating macro-scale tissue self-organization through organoidbioprinting”（该组刚发了一篇肠道类器官构建的Nature）。介绍了一种新型类器官打印技术方法，该方法结合了类器官制造技术和生物3D打印技术的优势，并成功构建了高度仿生的厘米尺度的组织，包括管状结构，分支血管和管状小肠上皮体内样隐窝和绒毛域等，为药物发现和再生医学研究提供了新的技术手段。

类器官和生物3D打印
类器官构建技术的优势和局限（organoid）：在体内，组织形成严重依赖于严格调节的形态发生程序，允许细胞群在局部相互作用并自我组织。这些局部之间的迭代交互发育中的组织单位指导细胞分化和模式形成的连续周期，从而建立了大规模生物学上的复杂性。由于其独特的自组织潜力，干细胞衍生的类器官是有希望构建出工程方法无法比拟的组织结构和细胞类型组成的局部特征。但是，由于类器官难以生长到毫米级以上，因此它们缺乏体内器官的大尺寸结构特征，难以实现更高级别的器官功能响应，限制了类器官技术在体外仿生模型和再生医学领域的发展。

生物3D打印技术的优势和局限（bioprinting）：生物3D打印技术可以实现细胞和生物材料的精准空间排列，易于快速构建大尺寸（厘米级）含细胞外基质的仿生组织结构。虽然现在有了越来越多种的细胞打印技术，但其一直存在两个限制，1）超高浓度细胞三维打印，2）工程排列的细胞缺乏细胞分化和自组织的特征等。

生物3D打印技术是先进制造技术的一种，并不是和类器官构建相排斥的技术，因此，将类器官制造技术和生物3D打印技术的优势相结合，有望构建出厘米级在高度仿生的微组织。

BATE打印技术
研究者创新性的提出了BATE打印技术（termed bioprinting-assisted tissue emergence)，使用干细胞和类器官作为自发的自组织构建单元，这些构建单元可以在空间上排列以形成相互连接且不断进化的细胞结构。

令人叹服的是研究者逆天的动手能力：将一个微挤出系统和显微镜（自带三维运动台）相结合，构建了一个自带显微图像实时观察的打印系统，并脑洞打开的提出了未来可基于自动显微镜实现时空结合的生物3D打印，即打印第一种组织，并培养发育出一定的功能和形态后，再基于显微成像，放回打印机在第一种组织周边打印第二种组织，在空间和时间上都精准控制组织的发育。

图1. 显微镜生物3D打印机

含有超高密度细胞的高活性生物墨水
研究者采用了类器官构建技术常用且生物活性非常好的胶原和Matrigel作为墨水材料，这些材料来源于天然组织，生物活性好，强度低，不会阻碍干细胞后续的自组织发育。通过优化墨水参数和打印参数，BATE技术可实现超高细胞密度墨水的打印(每毫升10^8 个细胞)，并保持良好的细胞活性。
BATE方法在人类组织原代细胞大规模类器官或自组织构建方面具有广泛适用性，研究人员打印了三种具有已知自组织（或自组装）潜能的细胞类型（hISC，hMSC和HUVEC），并通过培养控制细胞自组织的特定局部相互作用可以形成特定结构的上皮管、结缔组织和血管网络，符合这些细胞原本的组织特征。

图2. 不同细胞的打印和自组织发展

类肠道组织的构建
在宏观尺度上重建复杂的图案化组织，这需要对几何学，细胞间相互作用，ECM组成和动力学以及关键可溶性因子的存在进行精确控制（图3a）。小鼠肠道干细胞（mISC）在Matrigel中培养并添加确定的生长因子混合物（EGF，Noggin和R-spondin（ENR））时，会形成带有隐窝和类绒毛状隔室的类器官，类似于该动物的体内小肠上皮。研究者基于此，3D打印了mISC的密集线，并用以模拟宏观的肠道，通过后续的培养和细胞的自组织发育，该打印的结构展现出高度仿生的肠道组织特征。这些数据表明，BATE可以在厘米尺度上可靠地复制复杂的组织结构和图案，并产生高度生理性和工程组织相关性，类似于体内组织的表型和功能。

图3. 宏观肠道打印

图4. 宏观肠道功能表征

多细胞复杂组织打印
BATE同样可以实现多细胞的打印，研究者尝试了ISC和IMC的打印和共培养，并展现出具有显著时空排列的多组织特征，满足类器官培养中多种组织或器官整合的需求。

图5. 共培养打印

总结
与现有的生物打印技术相比，BATE可在不同规模上指导组织形态发生，为复杂的自组织过程提供必要的环境，可以将干细胞之类的易碎细胞直接打印在Matrigel中，并自组织成复杂的几何形状。BATE还可以减少打印时间和几何复杂性。因此，将类器官制造技术和生物3D打印技术相结合的BATE技术，可以构建高度仿生的厘米尺度的组织，未来可为干细胞和再生医学提供新的方法，为工程化自组织（Self-organization）功能化组织甚至多种组织组合提供了强大的工具。

参考文献
Brassard, J.A., Nikolaev, M., Hübscher, T. et al. Recapitulating macro-scale tissue self-organization through organoid bioprinting. Nat. Mater. (2020). https://doi.org/10.1038/s41563-020-00803-5