蘇佳燦教授團隊最新《Small》綜述：3D生物打印構建關節(jié)類器官策略與應用

來源： EngineeringForLife

骨關節(jié)炎（OA）是一種長期發(fā)展的疾病，主要侵襲成年人，引發(fā)疼痛和功能障礙，全球大約有三億人受其影響。OA的核心問題在于軟骨遭受損害，包括細胞炎癥和細胞外基質（ECM）的破壞。由于軟骨組織缺乏血管和神經(jīng)，其自我修復能力有限。再加上關節(jié)軟骨具有獨特的生物學特性和機械結構，使得對其進行重建和修復成為一項巨大的挑戰(zhàn)。近年來，類器官技術成為軟骨修復的新興策略之一。類器官是由體外培養(yǎng)的干細胞構建的三維（3D）組織結構，能夠模擬相應器官的組織和功能，為研究和開發(fā)提供了生理學相關的平臺。構建關節(jié)類器官有助于模擬關節(jié)內的微環(huán)境，創(chuàng)建骨關節(jié)炎和類風濕關節(jié)炎等疾病模型，同時也可用于測試關節(jié)植入物的藥物篩選和生物材料評價。

由于軟骨代謝機制的復雜性以及對機械強度的高需求，與其他軟組織的類器官相比，關節(jié)類器官的研究周期更長且具有挑戰(zhàn)性。因此，目前對于關節(jié)類器官構建的研究仍然相對有限，仍是一個充滿挑戰(zhàn)的研究領域。近年來，3D生物打印和再生醫(yī)學的發(fā)展為解決這些挑戰(zhàn)提供了新的機會。3D生物打印具有高通量、高精度和自動化等優(yōu)勢，可以制造具有復雜結構的關節(jié)類器官，更好地模擬真實關節(jié)的微環(huán)境。

近期，上海交通大學新華醫(yī)院/上海大學轉化醫(yī)學研究院蘇佳燦教授團隊從3D建模、打印方式、生物墨水和培養(yǎng)條件四方面總結了構建關節(jié)類器官的方法。他們特別強調了3D生物打印在這一領域的相關研究，提出了關節(jié)類器官構建的階段性策略，為該領域的研究提供了新的思路。該綜述文章以"Small joint organoids 3D bioprinting: Construction strategy and application"為題，發(fā)表在《Small》期刊。蘇佳燦教授、上海大學任肖湘助理研究員與西安紅會醫(yī)院周鳳金教授為文章的共同通訊作者。

1. 關節(jié)組織的生物學結構
以膝關節(jié)為代表的關節(jié)在解剖學上通常分為三個組成部分:關節(jié)面、關節(jié)囊和關節(jié)腔。關節(jié)面是關節(jié)頭與關節(jié)窩相鄰的表面，由關節(jié)軟骨覆蓋。關節(jié)囊具有外纖維層和產(chǎn)生滑液的內滑液層，可以幫助減少摩擦。髕下脂肪墊將關節(jié)囊的纖維層與滑膜層分開，并將后者推向關節(jié)軟骨表面。關節(jié)腔是由關節(jié)軟骨和關節(jié)囊包圍的狹窄空間。軟骨退變是許多關節(jié)疾病的共同特征，但組織的相互關聯(lián)性不可避免地導致其他關節(jié)成分的致病性改變，如滑膜炎、髕下脂肪墊炎癥或軟骨下骨重塑。因此，作者也重點討論了關節(jié)軟骨、滑膜和髕下脂肪墊等三個部分，其中關節(jié)軟骨可以分為透明軟骨、鈣化軟骨和軟骨下骨。它們是關節(jié)的基本組成部分，對關節(jié)的健康和功能起著至關重要的作用。

圖1 關節(jié)的生理學結構

2. 3D打印技術

(1) 噴墨打印
3D噴墨打印是一種與傳統(tǒng)噴墨打印機原理相同的方法，利用聲波或熱量來制造生物材料的液滴，從而形成所需的形狀。這種技術可分為兩類，聲學噴墨打印和熱敏噴墨打印。聲學噴墨打印機的主要優(yōu)點是它避免了對生物材料使用熱量和壓力，減少了噴嘴堵塞的可能性。然而，可以打印材料的粘度是有限的。熱噴墨打印機的優(yōu)點，如打印速度快，易于控制和廣泛的適用性。

(2) 擠壓式打印
基于擠壓的打印是一種常見的3D生物打印方法，允許打印具有不同粘度和高密度聚合物的各種水凝膠聚合物溶液。這種印刷技術使用柱塞、旋轉或氣動壓力將材料擠出噴嘴。與其他方法相比，機械驅動的方法提供了更好的流量調節(jié)，從而提高了打印精度。但是擠壓壓力太大會對細胞活性產(chǎn)生負面影響。

(3) 激光輔助打印
激光輔助生物打印使用雙層結構，可以對激光刺激做出反應。它由上面的能量吸收層和下面的生物墨水溶液層組成。激光脈沖聚焦在吸收層上，導致下層形成高壓液體氣泡。然后將混合了細胞的生物墨水噴射到打印平面上。激光輔助打印種細胞更加活躍，并且具有非常高的打印分辨率，甚至可以打印單個細胞。然而，由于高精度激光器的高成本，這些打印機并沒有廣泛應用于實驗室。

(4) 光固化打印
光固化打印是一種廣泛使用的3D打印方式，特別是在軟骨和骨修復領域。這些打印方式利用光誘導聚合從一桶樹脂中制造出三維結構。它可以分為幾種不同類型的光固化3D打印技術，如立體光刻技術(SLA)，數(shù)字光處理(DLP)和液晶顯示技術(LCD)，每一個都有自己獨特的特點。與其他打印方法相比，光固化生物打印相對較快，并且細胞存活率高，因為在打印過程中不需要對材料施加機械力。

圖2 四種不同的打印方式

圖3 幾種不同的生物墨水

表1 幾種不同生物墨水的優(yōu)缺點和應用

3. 生物3D打印關節(jié)類器官的構建策略
關節(jié)是由多種組織組成的復雜結構，包括髕下脂肪墊、肌腱、韌帶和半月板。然而，構建一個完整的關節(jié)類器官來模擬關節(jié)各部分的動態(tài)環(huán)境是一個挑戰(zhàn)。因此，提出的策略主要集中在模擬關節(jié)軟骨和軟骨下骨的體內微環(huán)境。在本文中，作者提出了構建關節(jié)類器官的三部曲，包括構建基礎關節(jié)類器官策略、結構化關節(jié)類器官策略和功能化關節(jié)類器官策略。

圖4 生物3D打印關節(jié)類器官的構建策略

4. 生物打印關節(jié)類器官的應用
類器官有可能徹底改變關節(jié)疾病的研究及其治療。傳統(tǒng)的2D和3D細胞培養(yǎng)模型缺乏體內關節(jié)組織的復雜性和生理相關性，相比之下，類器官提供了一種在器官水平上模擬關節(jié)病理的實驗上更可行的方法。動物模型提供了現(xiàn)實的微環(huán)境，但也引起了倫理問題。類器官技術的出現(xiàn)提供了一個有希望的替代方案，提供了一種在器官水平上模擬關節(jié)病理的實驗上更可行的方法。此外，關節(jié)類器官在關節(jié)修復方面也具有廣闊的應用前景。關節(jié)類器官在關節(jié)修復中的一個很有前景的應用是能夠改造和再生軟骨組織。由患者來源的組織構建的類器官可以通過確定每個患者的最佳藥物來實現(xiàn)個性化醫(yī)療。就像藥物測試一樣，關節(jié)類器官可以用來評估各種植入材料的功效，包括醫(yī)用金屬、陶瓷和聚合物。這對于開發(fā)可用于治療關節(jié)疾病和損傷的新型植入材料尤為重要。

圖5 關節(jié)類器官的應用

5. 總結和展望
構建關節(jié)類器官是一個復雜的過程，需要考慮多種細胞類型、生物材料組合和生長因子調節(jié)。關節(jié)類器官的可重復性和穩(wěn)定性仍然需要改進，如干細胞定向分化、血管化和免疫等挑戰(zhàn)是關鍵問題。盡管存在這些挑戰(zhàn)，3D生物打印和干細胞研究在構建關節(jié)類器官方面具有巨大的潛力。我們相信3D生物打印作為一種新方法將為關節(jié)組織建模和關節(jié)疾病治療提供很多機會。

文章來源：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202302506