Nature Materials 评论| 生物打印更好的类器官

来源：上普生物

近期，华盛顿大学Benjamin D. Humphreys教授在Nature Materials上发表题为“Bioprinting better kidney organoids”的评论文章，本文主要是对2020年Nature Materials肾脏类器官打印的经典文章“Cellular extrusion bioprinting improves kidney organoid reproducibility and conformation（点击查看该篇文章介绍）”的评论，评论认为，自动化的基于挤出的生物打印已经显示出能够以改善的通量，质量控制和规模使人肾脏类器官产生，这是朝着大规模肾脏组织工程迈出的重要一步。

人类肾脏类器官在疾病建模和药物筛选方面的前景已得到广泛认可，但是在实现这种潜力之前，必须解决围绕变异性，通量和规模的局限性（1）。几乎所有的肾脏类器官分化方案都涉及多能干细胞向肾祖细胞定向分化，然后人工聚集这些祖细胞并在Transwell滤器上培养（2）。一些工艺利用旋转生物反应器来提高效率，但是这些工艺也依赖于大量细胞聚集（3）。肾脏的类器官不能生长到毫米以上，因为它们的内部变得缺氧，导致坏死，并且它们也缺乏皮质，髓质和乳头状等高阶形态。手动聚集的类器官也很费力费时，并且批次间差异很大（4）。生物打印提供了在速度和规模上精确控制三维空间中细胞沉积的能力，代表了应对这些挑战的潜在解决方案。

在此问题中，Lawlor及其同事报告了基于自动挤出的生物打印的使用（5）通过操纵生物物理特性，以高通量产生肾脏类器官，并提高了重现性并优化了肾单位数目。作者利用培养了7天的诱导多能干细胞分化为中间的中胚层发育阶段。然后将细胞解离成单个细胞悬液，以形成由没有任何载体水凝胶的细胞组成的“糊状”或“生物墨水”。然后将这种细胞生物墨水用于挤出生物打印机中。与传统的手动方法相比，该生物打印机能够准确，快速地在每个Transwell中放置更多的类器官，并且尺寸要小得多，而不会造成细胞分化。类器官工艺的挑战之一是批次之间的差异（4），而生物打印的类器官提供了很大的改进，尺寸变异系数非常低，仅为1-4％。

生物打印机的准确性使方案可以从典型的六孔Transwell板适应于96孔格式，从而可以进行中等通量药物筛选。作者还研究了类器官构象对形态的影响。他们观察到，当将相同数量的细胞打印为线而不是点时，每个类器官的肾单位数量显着增加（图1）。尽管尚未证明这种作用的潜在机制，但限制将类器官打印为点时将发生的低氧中心似乎有助于增加那些以线条打印的类器官的肾生成。在此观察结果的基础上，研究人员能够打印多条彼此相邻的类器官线，从而在随后的区分之后，他们能够生成4.8×6 mm的类器官贴片。这些肾脏类器官具有高度一致的肾单位模式，并表达由间质内皮细胞围绕的Henle近端和远端小管或环的标记。最后，作者使用单细胞和大量RNA测序来证明，与人工聚集的类器官相比，生物打印的肾脏类器官的成熟性得到了改善。

Lawlor及其同事利用了一个肾单位祖细胞-中胚层-产生了后肾间充质的衍生物，但缺乏输尿管芽（包括收集管）的实质性贡献。现在，对于输尿管的产生工艺芽样组织已经在小鼠和人开发（6，7），可设想以促进分化这两种细胞类型之间的往复感应信令的方式生物打印这两种细胞类型的形态发生。最近的多能干细胞也可以被诱导形成收缩性输尿管组织的证明(8),提示了生物打印该祖细胞以将收集导管连接到输尿管的可能性。

肾类器官的主要局限性在于缺乏功能性脉管系统。确实，Lawlor及其同事发现生物物理特性调节肾生成的发现可能反映了均匀的氧气和营养素输送对于成功的肾生成的重要性。是否可以通过将多个印刷的类器官与包埋的灌注血管通道结合产生厘米级的肾脏类器官，尚待观察。詹妮弗·刘易斯（Jennifer Lewis）实验室最近报告了使用心脏类器官的概念证明这一概念的原理，该方法将心脏小类器官压缩成千上万个小类器官，然后应用生物制造技术-牺牲性写入功能组织（SWIFT，悬浮打印）-从而在心脏内形成可灌注的血管通道(9)。牺牲墨水在类器官基质中形成图案，然后可以将其除去，留下可灌注通道网络。以相同的方式，可以将无血管的肾脏组织的小块彼此叠合，通过SWIFT在两层之间打印出血管导管。

总而言之，这种用于肾脏类器官生成的生物打印方法代表了在提高产量，可变性和规模方面迈出的重要一步。这些结果无疑将促进对生物打印可用于控制组织自组织并将其从毫米级扩展到厘米级的方式的进一步研究。



参考文献
1.Przepiorski, A., Crunk, A. E., Espiritu, E. B., Hukriede, N. A. & Davidson, A. J. Semin. Nephrol. 40, 188–198 (2020).
2.Takasato, M. & Little, M. H. Methods Mol. Biol. 1597, 195–206 (2017).
3.Przepiorski, A. et al. Stem Cell Rep. 11, 470–484 (2018).
4.Phipson, B. et al. Nat. Meth. 16, 79–87 (2019).
5.Lawlor, K. T. et al. Nat. Mater. https://doi.org/10.1038/s41563-020-00853-9 (2020).
6.Yuri, S., Nishikawa, M., Yanagawa, N., Jo, O. D. & Yanagawa, N. Stem Cell Rep. 8, 401–416 (2017).
7.Tsujimoto, H. et al. Cell Rep. 31, 107476 (2020).
8.Wanjare, M., Kuo, F. & Gerecht, S. Cardiovasc. Res. 97, 321–30 (2013).
9.Skylar-Scott, M. A. et al. Sci. Adv. 5, eaaw2459 (2019).
本文译自：https://www.nature.com/articles/s41563-020-00881-5