【科學背景】
近日，美國加州大學舊金山分校Zev J. Gartner教授團隊在《Nature Materials News&Views》上發表Guiding tissue-scale self-organization一文。該文觀點評論解析如下：
要點：一種生物列印方法，利用形成類器官的幹細胞作為水凝膠中的活潑墨水，可指導組織規模的自組織產生更現實的胃腸道和血管組織構造。
【圖文解析】
類器官是盤中的微型幹細胞衍生組織，通過自組織形成體內類似的細顆粒組織結構和細胞異質性。這些功能為發展和疾病進展的機制提供了新的見識。然而，類器官不能概括在體內發現的許多粗粒度的結構特徵，這些特徵的長度範圍從幾百微米到幾釐米。這自然導致了一個問題，即要使類器官模型的應用擴展到組織的這些更大範圍的特徵，必須進行哪些開發。為了回答這個問題，Matthias Lutolf及其同事報告了一種簡單易用的生物列印的方法，該方法使用形成類器官的細胞墨水。他們的方法為將生物印表機提供的粗粒度結構控制與類器官自組織產生的細粒度結構控制相結合奠定了基礎(doi.org/10.1038/s41563-020-00803-5)。
類器官作為基礎研究，再生醫學和疾病建模工具的承諾源自其自組織過程中自發產生的複雜組織結構。但是，允許組織自組織而不受周圍胚胎提供的約束的結果是，組織通常以意想不到的或不受控制的方式形成。在三維細胞外基質（ECM）水凝膠（例如重構的基底膜Matrigel）中培養類器官，為類器官的自組織提供了許多重要的機械和生物學線索。然而，所得的類器官可以採用由隨機過程以及微環境和細胞異質性引起的各種尺寸，形狀和細胞類型組成。此外，許多器官在跨越數百微米到釐米的長度尺度上顯示出複雜的結構。自組織的這些特徵是由於空間附近的細胞之間的相互作用（如當前的類器官培養物中發生的）以及類器官培養物中缺少的來自周圍胚胎組織的提示而產生的。通過將類器官植入到活體動物中來重新引入這種線索已被用於促進大規模組織結構的發展。然而，這些過程在類器官培養中概括仍是挑戰。因此，人們非常有興趣採用多種組織工程學自上而下的工具（包括微圖案製作，生物列印和光刻等）來在時間和空間上排列其他組織類型，以更好地指導類器官的自組織。最終，將自上而下的製造方法的優勢與活細胞的自下而上的自組織能力相結合對於實現構建更複雜和功能更強大的組織和器官的潛力至關重要。
圖1：使用生物列印輔助的組織出現方法生成大規模組織。a，將基於注射器的擠出生物列印技術與帶有手動控制臺的顯微鏡相結合，以列印由基質內形成類器官幹細胞組成的生物墨水。b，如組織學和宏觀圖像所示，將列印的構造物幾何引導以自組織成具有管腔結構的模擬組織的腸和血管類器官。比例尺，200 m。
在此概念驗證中，Lutolf及其同事證明了在由注射泵和顯微鏡構建的簡單生物印表機擠出後，由解離的類器官祖細胞，間充質細胞和內皮細胞構建的釐米級組織特徵的生成（圖1a）。顯微鏡使用載物臺控制項和實時視覺反饋提供精確的移動和定位，從而使用戶可以通過肉眼微調擠壓參數。細胞在培養基中的緻密懸浮液會在凝固前的幾分鐘內直接印到液體ECM凝膠中。作者可以控制細胞密度，噴嘴大小和擠出速度，以調節組織的形態。列印的組織最初是簡單的線條和懸浮在ECM凝膠中的點，隨著它們的生長會凝結成連續的組織，然後隨著它們開始自組織成類器官而形成微觀結構（圖1b）。腸類器官和內皮細胞均形成管腔，而腸類器官又沿管的外表面形成隱窩結構，類似於散布在整個小腸中的隱窩。通過使用不同的細胞墨水順序使用此方法，還可以生成具有多種細胞類型的更複雜的組織。在一項特別引人注目的演示中，從腸和胃中分離出的獨特幹細胞被組合在一起，形成了混合的胃和腸類器官，模仿了具有特定器官特徵（如平滑的胃區和隱窩覆蓋的腸區）的胃腸道。使用類似於最近研究中發表的策略，作者還通過在特定位置擠出基質細胞的液滴，將不同的細胞類型依次沉積到同一基質中。基質細胞的存在導致管腔直徑的增加，從而允許腸類器官的灌注。
該報告為類器官生物學家提供了一種新方法，該方法依賴於自動化顯微鏡和注射泵，這在大多數現代實驗室中都很容易獲得。此外，作者使用最常見的實驗室基質（I型膠原和Matrigel）驗證了該方法。與以前的生物列印技術不同，該技術已經將僅細胞生物墨水列印到水凝膠支持浴或合成水凝膠中，與標準ECM的兼容性允許從以前為其他類器官開發的優化條件更輕鬆地過渡到此生物列印方式。研究其他類器官中的大規模形態發生和空間信號傳導將是一個令人興奮的下一步。然而，在生物印表機提供的額外限制下，是否需要額外的優化來實現類器官自組織的全部潛力還有待觀察。同樣，生物印表機如何才能有助於大腦，腎臟和乳腺類器官（尤其是其他器官）的形態受控，還有待進一步研究。類似於使用微生理系統或單片器官的方法，將這些文化與灌注系統連接的標準化方法，例如同一研究小組最近發布的可灌注類器官，也將是未來發展的重要領域。類器官生物學與組織工程學的不斷增長的交集，繼續為研究，概括和控制器官發育的複雜特徵提供了令人興奮的機會。
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