3D 生物打印赋能类器官发展：现状、挑战与展望

来源：EFL生物3D打印与生物制造

在生物医学研究领域，类器官作为能高度模拟真实组织或器官的体外模型，受到广泛关注；3D生物打印技术凭借对细胞的精准操控能力，在生物医学应用中崭露头角。然而，类器官发展面临结构功能优化难题、与其他细胞及微环境互动不足、批次间差异大等问题。  

中国科学院上海硅酸盐研究所吕宏旭、吴成铁教授团队，综述了3D生物打印技术在类器官发展这一研究领域的进展。探讨了当前3D生物打印在优化类器官结构与功能、实现类器官血管化、改进生物墨水和打印参数等方面的进展。提出了通过精准调控干细胞行为、标准化打印流程、优化生物墨水设计、融合多种技术、构建多器官平台、拓展组织再生应用等策略推动类器官3D打印发展的观点。相关工作以“Advancing organoid development with 3D bioprinting”为题发表在《Organoid Research》上。

图1. 类器官与三维（3D）生物打印结合的发展与应用概述。

主要内容
1. 肠道管生物打印的过程和结果。从图2可见肠道管形成过程，通过将器官样干细胞作为生物墨水成分，经3D打印使其在空间聚集排列。明亮场图像呈现了肠道发育情况，染色图像标记出不同细胞类型，如干细胞、潘氏细胞和肠道上皮细胞等。Alcian蓝和核固红染色显示了肠道切片中的上皮细胞和杯状细胞，还有处理后肠道管直径随时间的变化以及与其他细胞共打印后的区域图像，这些都表明3D打印能构建出具有类似真实肠道结构特征的组织。

图2. 肠道管生物打印。

2. 骨类器官的3D打印发展。图3展示了优化后的生物墨水在体外的成骨能力和自矿化特性，包括不同时间点生物打印骨类器官的总矿物体积、矿化密度等数据。还有体外培养不同天数的宏观图像、体内增强的成骨能力、免疫组化染色以及CT重建修复大鼠颅骨缺损的图像，体现了3D打印构建的骨类器官能为骨组织再生提供有效支持。

图3. 三维生物打印构建骨类器官的发展。

3. 肿瘤类器官的3D打印成果。以胶质母细胞瘤为例，图4展示了自然胶质母细胞瘤的微环境和结构，以及3D打印构建胶质母细胞瘤模型的过程。计算机模拟的氧浓度图像、显微镜观察图像和细胞染色图像，展示了打印构建的肿瘤类器官能模拟自然肿瘤的结构特性，如维持径向氧梯度，为肿瘤研究提供了有效模型。

图4. 三维生物打印构建肿瘤类器官的发展。

4. 通过3D打印实现类器官血管化的过程和效果。图5展示了“牺牲性写入功能组织”的流程，从细胞培养、聚合到构建血管网络。心脏类器官的设计图、3D打印的分支血管网络、灌注后心脏组织的细胞活力、收缩和电刺激反应等图像，表明3D打印可制造出具有灌注功能血管的心脏类器官，促进其功能发育。

图5. 三维（3D）生物打印实现类器官的血管化。

5. 碳纳米管对肠道类器官增殖和分化的影响。实验过程图像显示用碳纳米管处理肠道类器官，光学图像呈现其随时间的发育情况。染色图像标记不同上皮细胞，Western blot分析相关蛋白表达，还有线粒体膜电位、氨基酸吸收热图等数据，表明碳纳米管能促进肠道类器官发育。

图6. 纳米碳管对肠道类器官增殖和分化的影响。

6. 3D打印用于神经类器官的发展。图7展示了磁增强神经类器官的过程和空间图案化器官转移平台，明亮场和免疫荧光染色图像展示了神经形态类器官和弥漫性桥脑胶质瘤类器官的融合及组装情况，体现了3D打印可精准操控神经类器官的构建。

图7. 三维生物打印构建神经类器官的发展。

7. 利用3D打印监测视网膜类器官发育的情况。图8呈现了带有3D液态金属电极的微电极阵列和3D前视网膜膜装置，图像展示了人视网膜类器官中的视网膜层、放置在微电极阵列上的视网膜类器官等。还有放电率变化和单个单位活动的图表，能精准监测视网膜类器官发育过程中的电生理信号。

图8. 三维（3D）生物打印分析视网膜类器官的发展。

结论
类器官因能逼真模拟组织器官结构功能、展现细胞间相互作用，在生物医学研究中备受关注，但仍面临结构功能需优化、缺乏与其他细胞及微环境的互动、批次间差异大等挑战。3D生物打印技术可精准定位细胞、构建合适结构体，在类器官发展中优势显著，如优化结构功能、营造生理微环境、实现高通量培养和构建大规模器官模型等。将3D生物打印与新方法结合，优化打印参数和设备，能进一步推动类器官发展。未来，3D生物打印在类器官研究中可从多方面发力，如调控干细胞行为、规范打印流程、优化生物墨水、融合其他技术、构建多器官平台、拓展组织再生应用等，以充分发挥二者结合的潜力，推动生物医学领域的进步。

文章来源：
https://www.accscience.com/journal/OR/1/1/10.36922/OR025040004