斯坦福大学《Nature Reviews Bioengineering》类器官生物打印

来源： EngineeringForLife

复杂人体组织的生物制造再现器官特殊的结构和功能，需要工程控制和内在自组装的结合。类器官生物打印包括增材制造方法，可以对类器官或类器官形成细胞的放置进行空间控制，以制造多细胞的3D结构。特别是，生物打印可以用来控制打印细胞或组织的空间位置，同时保持组成构件的结构和生理学。在这篇综述中，美国斯坦福大学Sarah C. Heilshorn及其团队讨论了生物打印方法和组织工程的新兴集成。由于生物打印通常涉及到“材料”油墨的图案化，本文将细胞和类器官描述为一种活材料，并讨论了如何通过生物制造技术来操纵这种活材料。本文专注于连续的生物打印方法，其中球状体、类器官或类器官形成细胞组成生物墨水。最后，强调了生物打印方法和类器官技术的结合如何发展疾病的工程组织模型。

相关研究内容以“Organoid bioprinting: from cells to functional tissues”为题于2024年12月16日发表在《Nature Reviews Bioengineering》。

本文要点：

（1）类器官是体外模型系统，旨在再现体内人体，组织特异性表型。

（2）类器官形成细胞、类器官、类器官悬浮液和融合的类器官都可以被认为是“活材料”，表明它们可以直接用于基于材料的生物制造方法。

（3）类器官生物打印是指增材制造方法，对类器官或类器官形成细胞的3D排列进行空间控制，以增加工程组织的相关性、再现性和复杂性。

（4）类器官生物打印在模拟人类开发和疾病、标准化药物发现和临床使用的人体组织生物制造方面具有潜力。   

图1 生物材料用于生物打印

通过在细胞培养基中添加可溶性形态因子来模拟在体内接收到的生态位信号启动类器官的形成。虽然类器官通常来源于原代组织干细胞或多能干细胞（PSCs），但在某些情况下，它们也可以通过分化细胞类型的自组织而出现（图1a）。在制备用于生物打印的预成型类器官时，必须考虑几个主要因素（图1b）。首先，被打印的单个类器官必须在大小和形态上保持一致，以使复杂的工程组织能够进行可重复的生物制造。第二，类器官的生产必须易于扩展。第三，在水凝胶基质中培养的类器官必须在不影响类器官保真度的情况下释放。最后，在开发或选择一种操纵单个类器官的生物打印方法时，必须了解不同的类器官的力学性能。类器官悬浮液是指液体物质中类器官的粘性混合物，类似于胶体悬浮液，其中微观的不溶性颗粒分散在液体介质中（图1c）。类器官悬浮液的流变特性取决于类器官悬浮密度和周围流体的力学性能。多细胞聚集物的融合是基于差异粘附假说的，该假说认为表达相同粘附分子的细胞倾向于结合在一起。虽然最初的融合演示是用球状体完成的，但“assembloid”一词用来描述将不同类型的类器官融合成单一的3D结构的过程（图1d）。   

图2 类器官生物打印方法

当使用器官形成细胞作为生物墨水时，利用器官形成细胞的局部自组织和分化潜能，就会发生器官形成和融合（图2a）。例如，生物打印圆柱形的肠干细胞使细胞能够组织成具有空心腔和体内样隐窝和绒毛结构的肠管状结构。作为一种替代方法，使用PSC聚集体或器官样结构作为生物墨水，而不是使用单独悬浮的细胞，可以保持每个自组装构建块内的细胞密度、细胞类型多样性和细胞结构（图2b）。在拾取式生物打印中，可以选择特定、单独的类器官或球状体，然后放置在精确的位置，通常在支撑支架内（图2c）。在体积生物打印中，可光固化油墨被放置在旋转缸中，通过紫外线或可见光交联，可见光被一系列所需结构的2D光模式照亮。这使得可以从多个角度同时照明整个体积，从而以体积的方式制造3D结构（图2d）。牺牲写入功能组织（SWIFT）使用类器官和ECM材料（基质胶和胶原蛋白）的浆液作为支撑浴，其中牺牲墨水可以打印出来创建可灌注通道（图2e）。  

图3 在类器官生物打印中的应用

类器官在最小的控制下自组织和组装，产生重复性有限的异质组织。相反，生物打印可以精确控制空间定位，但传统的生物打印主要依赖于外部模式来组织细胞，而细胞自身的自组织能力有限。通过将类器官构建块作为一种可以生物打印的活材料，生物打印的空间精度可以与类器官结构的内在自组装相结合，发挥工程控制。一些类器官生物打印方法已经取得成功。最终，类器官生物打印在工程复杂的3D组织方面具有巨大的潜力，从再生医学到基础研究再到个性化疾病模型（图3）。然而，仍有一些发展空间可以进一步扩展类器官生物打印的再现性和可扩展性，同时也可以实现组织模拟的复杂性。克服这些挑战有望进一步扩大类器官生物打印的实用性，以促进制药行业的药物发现和发展。

全文小结
本综述将类器官和类器官形成细胞描述为一种活材料，然后描述类器官构建块作为生物墨水的使用，最后讨论可用于类器官生物打印的各种支撑浴。虽然迄今为止，类器官生物打印的例子很少，但许多球形生物打印的基本工程原理与类器官生物打印是相同的。因此，扩展了讨论，包括球状体的打印，并描述类器官生物学和生物打印技术的最新进展，可以在未来一起用于工程复杂组织。最后，展望了未来可能的发展方向，以激发类器官生物打印的进一步发展。

文章来源：
https://doi.org/10.1038/s44222-024-00268-0