Nature Materials 評(píng)論| 生物打印更好的類(lèi)器官

來(lái)源：上普生物

近期，華盛頓大學(xué)Benjamin D. Humphreys教授在Nature Materials上發(fā)表題為“Bioprinting better kidney organoids”的評(píng)論文章，本文主要是對(duì)2020年Nature Materials腎臟類(lèi)器官打印的經(jīng)典文章“Cellular extrusion bioprinting improves kidney organoid reproducibility and conformation（點(diǎn)擊查看該篇文章介紹）”的評(píng)論，評(píng)論認(rèn)為，自動(dòng)化的基于擠出的生物打印已經(jīng)顯示出能夠以改善的通量，質(zhì)量控制和規(guī)模使人腎臟類(lèi)器官產(chǎn)生，這是朝著大規(guī)模腎臟組織工程邁出的重要一步。

人類(lèi)腎臟類(lèi)器官在疾病建模和藥物篩選方面的前景已得到廣泛認(rèn)可，但是在實(shí)現(xiàn)這種潛力之前，必須解決圍繞變異性，通量和規(guī)模的局限性（1）。幾乎所有的腎臟類(lèi)器官分化方案都涉及多能干細(xì)胞向腎祖細(xì)胞定向分化，然后人工聚集這些祖細(xì)胞并在Transwell濾器上培養(yǎng)（2）。一些工藝?yán)�用旋轉(zhuǎn)生物反應(yīng)器來(lái)提高效率，但是這些工藝也依賴于大量細(xì)胞聚集（3）。腎臟的類(lèi)器官不能生長(zhǎng)到毫米以上，因?yàn)樗鼈兊膬?nèi)部變得缺氧，導(dǎo)致壞死，并且它們也缺乏皮質(zhì)，髓質(zhì)和乳頭狀等高階形態(tài)。手動(dòng)聚集的類(lèi)器官也很費(fèi)力費(fèi)時(shí)，并且批次間差異很大（4）。生物打印提供了在速度和規(guī)模上精確控制三維空間中細(xì)胞沉積的能力，代表了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的潛在解決方案。

在此問(wèn)題中，Lawlor及其同事報(bào)告了基于自動(dòng)擠出的生物打印的使用（5）通過(guò)操縱生物物理特性，以高通量產(chǎn)生腎臟類(lèi)器官，并提高了重現(xiàn)性并優(yōu)化了腎單位數(shù)目。作者利用培養(yǎng)了7天的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞分化為中間的中胚層發(fā)育階段。然后將細(xì)胞解離成單個(gè)細(xì)胞懸液，以形成由沒(méi)有任何載體水凝膠的細(xì)胞組成的“糊狀”或“生物墨水”。然后將這種細(xì)胞生物墨水用于擠出生物打印機(jī)中。與傳統(tǒng)的手動(dòng)方法相比，該生物打印機(jī)能夠準(zhǔn)確，快速地在每個(gè)Transwell中放置更多的類(lèi)器官，并且尺寸要小得多，而不會(huì)造成細(xì)胞分化。類(lèi)器官工藝的挑戰(zhàn)之一是批次之間的差異（4），而生物打印的類(lèi)器官提供了很大的改進(jìn)，尺寸變異系數(shù)非常低，僅為1-4％。

生物打印機(jī)的準(zhǔn)確性使方案可以從典型的六孔Transwell板適應(yīng)于96孔格式，從而可以進(jìn)行中等通量藥物篩選。作者還研究了類(lèi)器官構(gòu)象對(duì)形態(tài)的影響。他們觀察到，當(dāng)將相同數(shù)量的細(xì)胞打印為線而不是點(diǎn)時(shí)，每個(gè)類(lèi)器官的腎單位數(shù)量顯著增加（圖1）。盡管尚未證明這種作用的潛在機(jī)制，但限制將類(lèi)器官打印為點(diǎn)時(shí)將發(fā)生的低氧中心似乎有助于增加那些以線條打印的類(lèi)器官的腎生成。在此觀察結(jié)果的基礎(chǔ)上，研究人員能夠打印多條彼此相鄰的類(lèi)器官線，從而在隨后的區(qū)分之后，他們能夠生成4.8×6 mm的類(lèi)器官貼片。這些腎臟類(lèi)器官具有高度一致的腎單位模式，并表達(dá)由間質(zhì)內(nèi)皮細(xì)胞圍繞的Henle近端和遠(yuǎn)端小管或環(huán)的標(biāo)記。最后，作者使用單細(xì)胞和大量RNA測(cè)序來(lái)證明，與人工聚集的類(lèi)器官相比，生物打印的腎臟類(lèi)器官的成熟性得到了改善。

Lawlor及其同事利用了一個(gè)腎單位祖細(xì)胞-中胚層-產(chǎn)生了后腎間充質(zhì)的衍生物，但缺乏輸尿管芽（包括收集管）的實(shí)質(zhì)性貢獻(xiàn)�，F(xiàn)在，對(duì)于輸尿管的產(chǎn)生工藝芽樣組織已經(jīng)在小鼠和人開(kāi)發(fā)（6，7），可設(shè)想以促進(jìn)分化這兩種細(xì)胞類(lèi)型之間的往復(fù)感應(yīng)信令的方式生物打印這兩種細(xì)胞類(lèi)型的形態(tài)發(fā)生。最近的多能干細(xì)胞也可以被誘導(dǎo)形成收縮性輸尿管組織的證明(8),提示了生物打印該祖細(xì)胞以將收集導(dǎo)管連接到輸尿管的可能性。

腎類(lèi)器官的主要局限性在于缺乏功能性脈管系統(tǒng)。確實(shí)，Lawlor及其同事發(fā)現(xiàn)生物物理特性調(diào)節(jié)腎生成的發(fā)現(xiàn)可能反映了均勻的氧氣和營(yíng)養(yǎng)素輸送對(duì)于成功的腎生成的重要性。是否可以通過(guò)將多個(gè)印刷的類(lèi)器官與包埋的灌注血管通道結(jié)合產(chǎn)生厘米級(jí)的腎臟類(lèi)器官，尚待觀察。詹妮弗·劉易斯（Jennifer Lewis）實(shí)驗(yàn)室最近報(bào)告了使用心臟類(lèi)器官的概念證明這一概念的原理，該方法將心臟小類(lèi)器官壓縮成千上萬(wàn)個(gè)小類(lèi)器官，然后應(yīng)用生物制造技術(shù)-犧牲性寫(xiě)入功能組織（SWIFT，懸浮打印）-從而在心臟內(nèi)形成可灌注的血管通道(9)。犧牲墨水在類(lèi)器官基質(zhì)中形成圖案，然后可以將其除去，留下可灌注通道網(wǎng)絡(luò)。以相同的方式，可以將無(wú)血管的腎臟組織的小塊彼此疊合，通過(guò)SWIFT在兩層之間打印出血管導(dǎo)管。

總而言之，這種用于腎臟類(lèi)器官生成的生物打印方法代表了在提高產(chǎn)量，可變性和規(guī)模方面邁出的重要一步。這些結(jié)果無(wú)疑將促進(jìn)對(duì)生物打印可用于控制組織自組織并將其從毫米級(jí)擴(kuò)展到厘米級(jí)的方式的進(jìn)一步研究。



參考文獻(xiàn)
1.Przepiorski, A., Crunk, A. E., Espiritu, E. B., Hukriede, N. A. & Davidson, A. J. Semin. Nephrol. 40, 188–198 (2020).
2.Takasato, M. & Little, M. H. Methods Mol. Biol. 1597, 195–206 (2017).
3.Przepiorski, A. et al. Stem Cell Rep. 11, 470–484 (2018).
4.Phipson, B. et al. Nat. Meth. 16, 79–87 (2019).
5.Lawlor, K. T. et al. Nat. Mater. https://doi.org/10.1038/s41563-020-00853-9 (2020).
6.Yuri, S., Nishikawa, M., Yanagawa, N., Jo, O. D. & Yanagawa, N. Stem Cell Rep. 8, 401–416 (2017).
7.Tsujimoto, H. et al. Cell Rep. 31, 107476 (2020).
8.Wanjare, M., Kuo, F. & Gerecht, S. Cardiovasc. Res. 97, 321–30 (2013).
9.Skylar-Scott, M. A. et al. Sci. Adv. 5, eaaw2459 (2019).
本文譯自：https://www.nature.com/articles/s41563-020-00881-5