水凝膠中“長出”微型器官，倫敦大學(xué)科學(xué)家使用 3D 生物打印了解癌癥傳播途徑

2023年6月12日，南極熊獲悉，來自倫敦大學(xué)學(xué)院（UCL）大奧蒙德街醫(yī)院和帕多瓦大學(xué)的科學(xué)家展示了如何通過生物3D 打印技術(shù)實現(xiàn)在水凝膠中“生長出”微型器官，這有助于更好地了解癌癥如何通過不同組織擴散。這項新技術(shù)可以幫助控制微型器官的形狀和活動，甚至可以迫使組織長成“模具”。據(jù) UCL 稱，研究團隊希望通過這種方式能夠制作出更逼真的器官和疾病模型，并更準確地研究細胞和器官。

相關(guān)研究以題為“Hydrogel-in-hydrogel live bioprintingfor guidance and control of organoids and organotypic cultures/用于指導(dǎo)和控制類器官和器官型培養(yǎng)物的水凝膠包水凝膠活體生物打印”的論文被發(fā)表在《Nature Communications》期刊上，由AnnaUrciuolo, Giovanni Giuseppe Giobbe等人撰寫。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-37953-4#Ack1

類器官科學(xué)是扎耶德研究中心（倫敦大學(xué)學(xué)院大奧蒙德街兒童健康研究所和大奧蒙德街醫(yī)院的合作伙伴）的專業(yè)研究領(lǐng)域之一。它涉及創(chuàng)建微型版本的器官，例如胃、腸和肺。然而，組織幾乎總是以不受控制的方式生長，并不代表自然器官的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。這一點尤為重要，因為器官的形狀和結(jié)構(gòu)與其細胞構(gòu)成一樣重要。

這項發(fā)表在《自然》雜志上的新研究首次展示了科學(xué)家如何在預(yù)先存在的凝膠中創(chuàng)建固體結(jié)構(gòu)并實時固化出特定的形狀，這一切都要歸功于高分辨率顯微鏡。這意味著生長中的微型器官或整個類器官中的任何細胞都將以特定方式生長。

圖 1水凝膠打印的性能

圖 2 水凝膠中水凝膠實時生物打印的時間控制和 oSpCs 的受控軸突引導(dǎo)

圖 3 用于研究類器官 3D 培養(yǎng)物中癌細胞遷移的水凝膠活生物打印

圖 4 通過水凝膠水凝膠活體打印超類器官驅(qū)動腸道類器官形態(tài)發(fā)生

圖 5水凝膠中水凝膠活生物打印對類器官和器官型培養(yǎng)物施加的 3D 幾何約束

例如，為了研究癌癥如何穿過不同硬度和密度的組織，該團隊在癌細胞周圍創(chuàng)建了硬化凝膠籠，并監(jiān)測它們的運動如何根據(jù)周圍環(huán)境的密度而變化——這是了解癌癥擴散的一個重要過程。

通過創(chuàng)建更好的疾病模型，研究人員希望未來的研究更加可靠，產(chǎn)生質(zhì)量更好的結(jié)果，并最終減少動物研究。

研究團隊現(xiàn)在計劃使用生物打印技術(shù)來重建器官，以及研究當(dāng)器官不能正常生長時其功能會發(fā)生什么變化，例如在懷孕早期出現(xiàn)的許多畸形。這項工作還可以通過在活體器官中輸送生物學(xué)上準確的“補丁”來進行治療。

這項研究的共同主要作者、倫敦大學(xué)學(xué)院大奧蒙德兒童街的 Giovanni Giobbe 博士說：“由于我們對聚合物凝膠進行了微小而復(fù)雜的調(diào)整，看到這些精確的結(jié)構(gòu)開始在我們眼前形成，真是太神奇了。我們真的很高興看到這項成果可以幫助我們進一步了解人類疾病，甚至有朝一日可以應(yīng)用到臨床治療上�！�

為了探索生物打印技術(shù)的用途，研究團隊將該方法應(yīng)用于幾種不同的情況。例如，為了研究神經(jīng)元，類器官研究傳統(tǒng)上會產(chǎn)生無法分離和研究的無序神經(jīng)元束。然而，這項技術(shù)允許該團隊為神經(jīng)元創(chuàng)造硬化的凝膠“軌道”來沿著它生長，就像競賽游泳池的泳道一樣。

同時，為了確保微觀腸道的形狀與“真實”發(fā)育中的腸道相同，研究團隊創(chuàng)建了一個復(fù)雜的水凝膠模具，該模具可引導(dǎo)類器官形成模仿正在發(fā)育的腸道復(fù)雜結(jié)構(gòu)（稱為“隱窩”和“絨毛”）的形狀。同樣，科學(xué)家們能夠設(shè)計一種水凝膠來促進肺細胞產(chǎn)生分支，就像它們在真實肺中所做的那樣。

NIHR GOSH BRC 組織與工程和再生醫(yī)學(xué)主題的負責(zé)人、倫敦大學(xué)學(xué)院大奧蒙德街兒童健康研究所的 Paolo De Coppi 教授（他是 GOSH 的兒科外科醫(yī)生，也是合作伙伴）說：“這項工作是一個很好的例子，說明我們?nèi)绾螌⒖鐚W(xué)科的國際團隊聚集在一起，以改進我們的研究并使患者受益。在英國專門從事類器官研究的 GOSH 和 UCL 團隊，與專門從事凝膠打印設(shè)計和應(yīng)用的意大利團隊合作，使這項具有重大意義的研究成果得以實現(xiàn)。這將對基于實驗室的研究產(chǎn)生影響，以提高我們對疾病的理解，甚至也有可能應(yīng)用到臨床和治療�！�

這項工作的下一步將是研究這些受控、模制和定向的微型器官，以更好地了解它們?nèi)绾文７麦w內(nèi)的真實器官和狀況。

來自帕多瓦大學(xué)的、兒科研究所神經(jīng)肌肉工程實驗室的負責(zé)人Anna Uriuolo 博士說：“這項工作是生物醫(yī)學(xué)研究中正在爆發(fā)的多學(xué)科方法的進步的一個典范。在實驗室中復(fù)制器官模型的能力，以及幫助科學(xué)家在實驗臺上再現(xiàn)健康和疾病組織和器官復(fù)雜性技術(shù)的發(fā)展，是推動未來醫(yī)學(xué)發(fā)展的開始。”

這項工作得到了帕多瓦大學(xué)2017年STARS-WiC資助、帕多瓦大學(xué)Progetti di Eccellenza CaRiPaRo、TWINNING、Oak Foundation Award、AFM Telethon、意大利威尼托大區(qū)'Consorzio per la Ricerca Sanitaria'（CORIS）（LifeLab Program）、歐洲研究委員會（ERC，RerOids）對N.E.的資助、 以及帕多瓦大學(xué)2017年STARS啟動資金和IRP鞏固者給A.U.、NIHR GOSH生物醫(yī)學(xué)研究中心和GOSH兒童慈善機構(gòu)的撥款資助。