3D生物打印藻類可用作工程血管化組織中人類細(xì)胞的可持續(xù)氧源

研究人員在11月18日出版的《物質(zhì)》雜志上報道，三維生物打印藻類可用作工程血管化組織中人類細(xì)胞的可持續(xù)氧源。他們將生物打印的光合藻類與來自人類肝臟的細(xì)胞嵌入3D水凝膠基質(zhì)中，以創(chuàng)建類似小葉的蜂窩狀組織，類似人類肝臟。研究人員表示，在未來，這種環(huán)保、高性價比的3D生物打印方法可能在疾病建模、藥物開發(fā)、再生和個性化醫(yī)學(xué)甚至食品工程等應(yīng)用中具有潛力。

資深研究作者Y. Shrike Zhang(哈佛醫(yī)學(xué)院和布里格姆女子醫(yī)院的生物工程師)說：“這項研究是共生組織工程中的第一個真正的例子，它使用3D生物打印，以一種生理學(xué)上有意義的方式將植物細(xì)胞和人類細(xì)胞結(jié)合起來?！?。“我們的研究提供了一個獨特的例子，說明我們?nèi)绾卫米匀唤缰谐Ｒ姷墓采呗詠碓鰪娢覀兏脑烊祟惞δ芙M織的能力?！?

為了替代器官功能，恢復(fù)器官功能，對人工組織的需求越來越大，在過去的十年中，三維生物打印技術(shù)被用于制造生物醫(yī)學(xué)和組織工程應(yīng)用的組織支架。該方法通常包括在表面沉積生物墨水，以產(chǎn)生具有所需結(jié)構(gòu)和形狀的三維結(jié)構(gòu)，從而概括包括血管在內(nèi)的器官和組織，血管在將氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)輸送到全身方面起著關(guān)鍵作用。Bioink本質(zhì)上是一種含有活細(xì)胞、生物材料和其他生長補充劑的水凝膠。它模擬所需組織的細(xì)胞外基質(zhì)，支持包埋細(xì)胞的生長。

盡管三維組織的制造已經(jīng)取得了進(jìn)展，但主要的限制是在整個工程組織中保持足夠的氧氣水平，以促進(jìn)細(xì)胞的存活、生長和功能。研究人員試圖通過混合釋放氧氣的生物材料來解決這個問題，但這些材料通常不能長時間工作，有時對細(xì)胞有毒，因為它們會產(chǎn)生過氧化氫或其他活性氧等分子。張說：“迫切需要一種能夠從工程組織內(nèi)部持續(xù)釋放氧氣的方法?！?

為了滿足這一需求，張和他的同事開發(fā)了一種基于藻類的3D生物打印方法，該方法將血管模型結(jié)合到工程組織中，并為組織中的人類細(xì)胞提供了可持續(xù)的氧源。具體來說，他們使用了被稱為萊茵衣藻的光合單細(xì)胞綠藻。這種共生策略對藻類也有好處，藻類的生長部分是由周圍人體細(xì)胞釋放的二氧化碳支撐的。

第一步涉及3D生物打印藻類。研究人員將萊茵石藻封裝在一種主要由纖維素組成的生物墨水中，纖維素是植物、藻類和真菌的主要結(jié)構(gòu)成分。生物墨水用針頭裝入注射器，生物打印機用于擠壓生物打印。

接下來，研究人員將生物打印的藻類和人體肝臟細(xì)胞嵌入三維水凝膠基質(zhì)中。生物打印萊茵衣藻通過光合作用釋放氧氣，增強人體細(xì)胞的活力和功能。人類細(xì)胞生長到高密度并產(chǎn)生肝臟特異性蛋白質(zhì)。張說：“以前很難在工程血管化的人體組織中獲得高細(xì)胞密度?！?

最后，研究人員利用纖維素酶降解基于纖維素的生物墨水，然后用人體血管細(xì)胞填充左側(cè)中空微通道，從而在類肝組織中形成血管網(wǎng)。張說：“這種逃逸的生物墨水的開發(fā)允許在單個組織構(gòu)建體中進(jìn)行初始氧化和隨后的血管生成，這還沒有報道?！?這是成功完成動態(tài)和功能性組織工程的關(guān)鍵一步."

最后，三維血管化氧化工程組織具有未來植入的潛力，可以實現(xiàn)人體組織再生。如果使用患者特異性細(xì)胞，這些組織還可用于藥物篩選和開發(fā)、疾病機制研究和個性化藥物。

三維生物打印技術(shù)的另一個潛在應(yīng)用是食品工程。它代表了微藻蛋白質(zhì)、碳水化合物、多不飽和脂肪酸、類胡蘿卜素、維生素和必需礦物質(zhì)的豐富來源。這些生物活性化合物可以混合到創(chuàng)新的養(yǎng)殖食品中，以提高其營養(yǎng)價值，促進(jìn)健康。

但與此同時，還需要更多的努力來優(yōu)化這種方法。例如，可以改進(jìn)培養(yǎng)基以促進(jìn)萊茵衣藻和人類細(xì)胞的生長，并且可以調(diào)節(jié)光照條件以優(yōu)化藻類的氧氣供應(yīng)。此外，對藻類的生物安全性、毒性和免疫相容性的詳細(xì)研究將對未來的臨床翻譯具有重要意義。張說：“這項技術(shù)不能馬上用于人類?！薄斑@還是概念的證明，需要大量的后續(xù)研究來翻譯?！?

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