細胞微球組裝與3D列印結合的新策略

2020-10-10 上普生物


大尺度複雜組織的體外構建存在著包括高活性的細胞擴增，大尺度結構的快速、精確製備，以及合適的細胞微環境等挑戰。清華大學醫學院的杜亞楠課題組近期在Advanced Healthcare Materials期刊上發表了「TGase‐Enhanced Microtissue Assembly in 3D‐Printed‐Template‐Scaffold (3D‐MAPS) for Large Tissue Defect Reparation.」的文章，通過在3D列印的聚合物支架中組裝載細胞微球的方法，成功構建了大尺度的耳朵和鼻子等組織結構。

構建策略

「自下而上」的組織工程方法和3D生物列印技術，通過組裝或列印含細胞/生物材料的模塊或墨水，為大尺度複雜組織的體外構建提供了有力的方法。然而，仍然存在包括高活性的細胞擴增，如何快速、精確製備大尺度結構，以及保持合適的細胞微環境等挑戰。另外，缺乏來自內源性血管的長入極大限制了構建的組織在體內的存活和功能。因此，本研究提出了一種將「自下而上」的模塊化組裝技術（Modular assembly）與3D列印相結合的策略，通過在3D列印的空心聚合物支架（如鼻子或耳狀結構）中組裝載細胞微球，來實現快速構建大尺度功能化組織的目標。

作者將該策略稱為3D列印支架中的微組織組裝（Microtissue Assembly in 3D-Printed-template Scaffold, 簡稱3D-MAPS），其優勢在於將3D列印高精度支架，和細胞微球的快速擴增、組裝以及其為細胞提供優異微環境等優點結合在一起。在此過程中，引入了轉穀氨醯胺酶（TGase）作為酶促交聯劑，來促進微組織的粘合和快速融合。此外，基於皮瓣預製（flap prefabrication）方法，將預先設計的宿主血管嵌入到支架中來誘導宿主血管向支架內的長入，能夠促進移植後組織的活性和修復治療效果。本研究使用人間充質幹細胞（MSCs），其在包括軟骨和骨缺損在內的各種退化性疾病的再生治療中已得到廣泛認可。

圖1. 構建策略

體外MSC細胞良好增殖

大規模構建載MSC細胞的明膠微球，並使用旋轉瓶培養裝置，可以實現多達2 × 106個微組織的同時培養，培養4天後MSC細胞從5 × 106擴增到9.1× 107個，同時細胞活性高達95%；細胞流式分析顯示MSC細胞仍保持其免疫表型，高表達CD73, CD90, CD105，同時低表達CD11b, CD14, CD19, CD34和HLA-DR；通過2 mg mL−1濃度的TGase處理30分鐘，可以促進結構穩定性，同時促進MSC細胞的增殖和ECM分泌。

圖2 載MSC細胞微球的體外培養

圖3 TGase酶促微球組裝和體外培養

體內植入評價

MSC微組織的存在顯著減弱了皮下植入的免疫排斥反應，而在不含MSC微組織的支架則形成了明顯的纖維囊。進一步，為了促進移植後的組織存活，採用皮瓣預製方法，即結紮了耳中央動靜脈分支遠端，在耳根處反轉，並通過皮下隧道植入到前額，並放置在列印支架預留的孔道內。實驗結果顯示該方法可以促進宿主血管的長入，同時提高了組織強度，具有向軟骨分化的潛能。

圖4 3D-MAPS組織的體內移植與評價

總結

大尺度複雜組織的體外構建仍然是組織工程領域中的重要挑戰之一。本研究提出了一種將「自下而上」的模塊化組裝技術（Modular assembly）與3D列印相結合的策略，其具有大尺度、複雜結構、高精度和高細胞活性等優點，促進了工程化組織在再生治療領域中的應用。

參考文獻

Yu, H., et al., TGase‐Enhanced Microtissue Assembly in 3D‐Printed‐Template‐Scaffold (3D‐MAPS) for Large Tissue Defect Reparation. Advanced Healthcare Materials, 2020. 9(18): p. 2000531.（https://doi.org/10.1002/adhm.202000531）


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