Nature Materials 新型類器官列印技術實現大尺寸組織構建

2020-12-16 上普生物

瑞士洛桑聯邦理工學院Matthias P. Lutolf課題組近期在Nature Materials發表「Recapitulating macro-scale tissue self-organization through organoidbioprinting」(該組剛發了一篇腸道類器官構建的Nature)。介紹了一種新型類器官列印技術方法,該方法結合了類器官製造技術和生物3D列印技術的優勢,並成功構建了高度仿生的釐米尺度的組織,包括管狀結構,分支血管和管狀小腸上皮體內樣隱窩和絨毛域等,為藥物發現和再生醫學研究提供了新的技術手段。

類器官和生物3D列印

類器官構建技術的優勢和局限(organoid):在體內,組織形成嚴重依賴於嚴格調節的形態發生程序,允許細胞群在局部相互作用並自我組織。這些局部之間的迭代交互發育中的組織單位指導細胞分化和模式形成的連續周期,從而建立了大規模生物學上的複雜性。由於其獨特的自組織潛力,幹細胞衍生的類器官是有希望構建出工程方法無法比擬的組織結構和細胞類型組成的局部特徵。但是,由於類器官難以生長到毫米級以上,因此它們缺乏體內器官的大尺寸結構特徵,難以實現更高級別的器官功能響應,限制了類器官技術在體外仿生模型和再生醫學領域的發展。

生物3D列印技術的優勢和局限(bioprinting)

生物3D列印技術可以實現細胞和生物材料的精準空間排列,易於快速構建大尺寸(釐米級)含細胞外基質的仿生組織結構。雖然現在有了越來越多種的細胞列印技術,但其一直存在兩個限制,1)超高濃度細胞三維列印,2)工程排列的細胞缺乏細胞分化和自組織的特徵等。

生物3D列印技術是先進位造技術的一種,並不是和類器官構建相排斥的技術,因此,將類器官製造技術和生物3D列印技術的優勢相結合,有望構建出釐米級在高度仿生的微組織。

BATE列印技術

研究者創新性的提出了BATE列印技術(termed bioprinting-assisted tissue emergence),使用幹細胞和類器官作為自發的自組織構建單元,這些構建單元可以在空間上排列以形成相互連接且不斷進化的細胞結構。

令人嘆服的是研究者逆天的動手能力

將一個微擠出系統和顯微鏡(自帶三維運動臺)相結合,構建了一個自帶顯微圖像實時觀察的列印系統,並腦洞打開的提出了未來可基於自動顯微鏡實現時空結合的生物3D列印,即列印第一種組織,並培養發育出一定的功能和形態後,再基於顯微成像,放回印表機在第一種組織周邊列印第二種組織,在空間和時間上都精準控制組織的發育。

圖1. 顯微鏡生物3D印表機

BATE顯微列印技術

含有超高密度細胞的高活性生物墨水

研究者採用了類器官構建技術常用且生物活性非常好的膠原和Matrigel作為墨水材料,這些材料來源於天然組織,生物活性好,強度低,不會阻礙幹細胞後續的自組織發育。通過優化墨水參數和列印參數,BATE技術可實現超高細胞密度墨水的列印(每毫升10^8 個細胞),並保持良好的細胞活性。

BATE方法在人類組織原代細胞大規模類器官或自組織構建方面具有廣泛適用性,研究人員列印了三種具有已知自組織(或自組裝)潛能的細胞類型(hISC,hMSC和HUVEC),並通過培養控制細胞自組織的特定局部相互作用可以形成特定結構的上皮管、結締組織和血管網絡,符合這些細胞原本的組織特徵。

圖2. 不同細胞的列印和自組織發展

類腸道組織的構建

在宏觀尺度上重建複雜的圖案化組織,這需要對幾何學,細胞間相互作用,ECM組成和動力學以及關鍵可溶性因子的存在進行精確控制(圖3a)。小鼠腸道幹細胞(mISC)在Matrigel中培養並添加確定的生長因子混合物(EGF,Noggin和R-spondin(ENR))時,會形成帶有隱窩和類絨毛狀隔室的類器官,類似於該動物的體內小腸上皮。研究者基於此,3D列印了mISC的密集線,並用以模擬宏觀的腸道,通過後續的培養和細胞的自組織發育,該列印的結構展現出高度仿生的腸道組織特徵。這些數據表明,BATE可以在釐米尺度上可靠地複製複雜的組織結構和圖案,並產生高度生理性和工程組織相關性,類似於體內組織的表型和功能。

圖3. 宏觀腸道列印

圖4. 宏觀腸道功能表徵

腸道的分泌響應

多細胞複雜組織列印

BATE同樣可以實現多細胞的列印,研究者嘗試了ISC和IMC的列印和共培養,並展現出具有顯著時空排列的多組織特徵,滿足類器官培養中多種組織或器官整合的需求。

圖5. 共培養列印

總結

與現有的生物列印技術相比,BATE可在不同規模上指導組織形態發生,為複雜的自組織過程提供必要的環境,可以將幹細胞之類的易碎細胞直接列印在Matrigel中,並自組織成複雜的幾何形狀。BATE還可以減少列印時間和幾何複雜性。因此,將類器官製造技術和生物3D列印技術相結合的BATE技術,可以構建高度仿生的釐米尺度的組織,未來可為幹細胞和再生醫學提供新的方法,為工程化自組織(Self-organization)功能化組織甚至多種組織組合提供了強大的工具。

參考文獻

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

相關焦點

  • Nature|利用支架引導的類器官晶片構建穩態小腸
    類器官,如上皮類器官(如那些源自腸道幹細胞的類器官)在組織和疾病生物學建模方面有很大的潛力。早在2009年,Sato等人證明可以通過單個富含LGR5陽性的小腸幹細胞體外培養成3D上皮樣的小腸類器官。但是,目前用於在3D基質模型中衍生類器官的方法,往往會導致具有封閉的囊性結構的組織隨機發育,這不僅限制了組織的壽命和大小,限制了實驗可操作性,同時體外培養的類器官組織一直無法形成生物體內的血管網絡,而阻礙營養代謝,阻礙組織的生態平衡。但這些缺陷一定程度上可以結合組織工程和精密加工技術得以解決,這就衍生了類器官晶片(organoids-on-a-chip)。
  • Mater:生物3D列印高彈性墨水用於半月板纖維軟骨組織再生
    生物工程纖維軟骨組織以恢復半月板功能是組織工程研究的熱點。生物3D列印技術也被用於此領域以滿足臨床對複雜軟骨結構的製造需求,近期,Wake Forest的James J.生物3D列印技術為生物製造類似於天然組織的解剖學,生物力學和生物學特性的患者特定結構提供了有希望的通用選擇。這是通過精確列印多種成分(包括細胞和生物材料)實現的。生物墨水提供了能夠模仿體內微環境以支持細胞粘附,增殖和分化的3D網絡。而且,可以通過生物墨水組成來調節列印結構的功能和生物力學特性。
  • AM|高精度單細胞列印實現生物結構的逐細胞製備
    摘要:生物列印是一項強大的技術,具有改變醫療設備製造,器官替代以及疾病和生理畸形治療的潛力。但是,當前的生物印表機無法可靠地列印所有生物的基本單元,即單細胞。本文介紹了一種高清晰度的單細胞列印技術,它是一種新穎的微流控技術,可以準確地列印多種候選對象中的單個細胞。
  • 樂高式的堆積生物骨架:3D列印的微籠技術改善骨折與器官組織修復
    現在,受此流行的樂高玩具的啟發,科學家開發出樂高積木玩具式的生物支架,可以更好地修復被骨折的骨頭、治癒被破壞的器官組織等。一項新的研究表明,比起現有的方法,類似於樂高的空心小塊可以更有效地治療骨折。科學家認為,這項新技術甚至可以在將來幫助器官移植。
  • Nature Communications|生物材料發現可實現3D列印組織樣血管結構
    引言國際科學家團隊發現了一種可以3D列印以創建類似組織的血管結構的新材料。在諾丁漢大學和倫敦瑪麗大學的阿爾瓦羅·馬塔(Alvaro Mata)教授本月在《自然通訊》上發表的一項新研究中,研究人員開發了一種利用蛋白質進行3D列印氧化石墨烯的方法,該蛋白質可以組織成管狀結構,複製管狀結構的某些特性,比如血管組織。
  • 鄧宏魁/徐君/李程合作建立具備再生能力的新型類器官培養方法
    責編 | 兮類器官技術能夠在體外模擬體內器官組織的三維結構和生理功能,已被廣泛應用於疾病模型建立、藥物篩選、功能組織誘導等多種研究中,顯示出廣泛的應用前景【1】。類器官技術在2013年被Science雜誌評選為十大科學進展,成為過去十年再生醫學領域最重要的生物技術之一。
  • 全球「科技發展十大突破」——類器官技術落戶生物島
    01 類器官技術:被評為全球「科技發展十大突破」 類器官是由多種細胞類型組成的三維構建體,取自體內組織器官,通過體外三維培養,與來源組織和器官高度相似。
  • 生命科學學院鄧宏魁課題組與李程課題組構建了具有再生能力的新型...
    2021年1月8日,北京大學生命科學學院鄧宏魁教授課題組和李程課題組在Cell Research上發表了題為「Establishment of intestinal organoid cultures modeling injury-associated epithelial regeneration」的研究論文,在體外構建了具有損傷再生特徵的新型小腸類器官。
  • GDP凝膠點膠3D列印技術,高產量、大尺寸,以色列Massivit 3D
    3D列印的混合技術。基本原理是選擇性地將凝膠噴射到平臺上,然後用UV光進行照射,固化凝膠,逐層構建出一個實體3D對象。 △視頻:凝膠點膠列印(GDP)技術 他們的大尺寸Massivit 1800 3D印表機可擠出專有的光聚合丙烯酸凝膠材料。由於材料在擠出過程中通過紫外光固化,不需要冷卻,因此這種工藝生產速度很快,且成本比較低。
  • 皮膚類器官
    在國際著名期刊《自然》上發表的了一篇名為《Hair-bearing human skin generated entirely from pluripotent stem cells》1的文章提出可以通過多功能幹細胞培養分化形成一種皮膚類器官——具有多層皮膚組織,甚至還有毛囊,皮脂腺和神經迴路。
  • 如何生物3D列印管腔(血管)結構?
    隨著組織工程領域的不斷發展,不斷有新的技術湧現出來,用於解決目前器官構建中出現的痛點與難點。同軸生物3D列印技術的出現讓我們對血管化、精細化的組織器官列印提供了更多的可能性。本文帶您深入淺出地看懂這種技術和未來的發展空間。
  • 3D列印技術曾列印出心臟,能否列印一個活人?
    3D列印技術頂多列印一些人體結構,可以替換人體原有結構,但製造人體的技術看看機器人就知道了,現代人類依然不能完美解決機器人運動的平衡等問題,智力也遠不如人類。如今3D技術在醫學中的應用主要是列印一些人體的硬組織,比如利用特殊材料列印人體關節等骨骼構造,這類組織結構的特點是支撐人體的運動和支撐功能,雖然也有陶瓷等材料的可替代材料,但是不能像3D列印那樣和人類原有的結構有同樣的構造,如今硬組織的列印已經開始應用於人體結構的替換,可能擁有比傳統的陶瓷金屬關節更好的契合度;軟組織方面也是一個可以利用的點
  • 美國的科學家用生物材料列印出世界上第一個實物尺寸的心臟
    美國卡內基·梅隆大學(Carnegie Mellon University)的科學家用生物材料列印出世界上第一個實物尺寸的心臟,是外科醫生用於練習心臟手術的理想工具,也是最終列印可移植心臟的最終目標道路上一項重要的裡程碑。
  • MIT海歸開創軟材料新型仿生設計,力學性能堪比人體組織|專訪
    受啟發於人體組織的結構性能關係,南方科技大學機械與能源工程系助理教授劉吉開創性地提出軟材料的極限性能設計理念,並首次實現了抗疲勞人工生物材料和界面的構建,解決人體技術領域相關材料的設計與製造問題。眾所周知,常用的醫學電子器件和產品大多由金屬、矽、陶瓷、玻璃和工程塑料組成,它們堅硬易碎且無法與生物組織直接相容。與之相反,人體器官或者說是生物組織 (如大腦、心臟和肌肉等) 大多柔軟且富含水分,並且能夠承受每年幾百萬次兆帕級的應力而不發生破壞。
  • 擺脫重力束縛,在太空也能「構建」人體組織
    雷鋒網按,儘管地球上已經有能夠列印生物材料的生物印表機存在,但這些設備嚴重依賴於地球的重力,無法在太空中正常運作。但如今看來,在太空中「構建人體組織」的方法似乎可行,如果人們在外太空遭到了相關傷害,導致皮膚或者骨骼的損傷,就可以使用這種新的方法來進行「修補」。就像電影《Ad Astra》裡的場景一樣——人們在其他星球上工作、生活、就醫。近日,國際空間站(ISS)上的一名太空人已經利用磁力成功地組裝了人類的軟骨。
  • 中國學者革新3D生物列印,支架孔徑達到細胞水平
    自 2003 年美國克萊姆森大學團隊首次實現了活細胞列印,將 3D 生物列印研究推到前臺,科學家已經對該技術的應用前景進行了大膽展望,其中最具野心的預測,就是未來人體器官可以像汽車零配件一樣,磨損了可修復,損壞了可替換。3D 生物列印,正是提供這些人體「配件」的加工方式。
  • 人體器官能列印?科學家「列印」出心臟皮膚,6年完成臨床試驗
    3D列印不同於傳統列印,它是製造業領域的一項新興技術,被稱為「具有工業革命意義的製造技術」。隨著工業技術的進步,3D列印得到迅速發展。如今,3D列印用在了醫學領域,或許有一天能發明出人體列印技術,但就目前的技術來說有些困難。
  • 尖端製造業的新武器,新型銅鈦合金可實現3D列印
    【能源人都在看,點擊右上角加'關注'】尖端製造業的新武器,新型銅鈦合金可實現3D列印澳大利亞研究人員發現銅是顯著改善鈦3D列印的最佳選擇。它可以與其他元素結合使用,生產出堅固、輕便的合金,可用於技術、製造和醫藥領域的眾多高性能應用。3D列印的銅鈦合金在這些領域中,作為一種有效的製造方法,3D列印變得越來越重要。但是,目前用於增材製造的鈦合金通常在列印過程中形成圓柱狀晶體並結合在一起。
  • 更輕、更堅固、更緊湊,SLM Solutions為保時捷3D列印大尺寸電驅動...
    日前,保時捷官方宣布其使用3D列印技術生產出了首個完整的電動驅動器外殼。使用雷射熔融工藝生產的發動機變速箱單元通過了所有質量和壓力測試,並且沒有任何問題。
  • 新技術實現「掌上」3D列印
    新華社華盛頓4月29日電 美國明尼蘇達大學的研究團隊近日首次利用一臺便攜3D列印在人手上列印出電子產品。這一新技術不僅能幫助士兵們在戰場上快速列印所需的電子設備,還有望為傷口癒合和皮膚病治療提供新方法。該研究成果刊登在新一期美國《先進材料》雜誌上。