《Biofabrication》：生物3D打印和血管化策略之間的協(xié)同耦合

來(lái)源： EngineeringForLife

三維（3D）生物打印為生物制造中血管化的復(fù)雜挑戰(zhàn)提供了很有前途的解決方案，從而提高了工程組織和器官的臨床轉(zhuǎn)化前景。雖然現(xiàn)有的綜述涉及了血管化組織環(huán)境中的3D生物打印，但來(lái)自美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)的Ibrahim T Ozbolat及其團(tuán)隊(duì)綜述了一個(gè)更全面的視角，包括最新的技術(shù)進(jìn)步，并跨越整個(gè)多階段生物打印過(guò)程，特別強(qiáng)調(diào)血管化。3D生物打印和血管化策略之間的協(xié)同作用至關(guān)重要，因?yàn)?D生物打印可以創(chuàng)建個(gè)性化、組織特異性的血管網(wǎng)絡(luò)，而血管化可以提高組織活力和功能。本綜述首先提供整個(gè)生物打印過(guò)程的全面概述，從生物打印前階段到打印后處理，包括灌注和成熟。接下來(lái)討論了可以與生物打印無(wú)縫集成的血管化策略的最新進(jìn)展。還討論了組織特異性的例子，說(shuō)明這些血管化方法如何為不同的解剖組織定制，以提高臨床相關(guān)性。最后強(qiáng)調(diào)了未充分探索的術(shù)中生物打�。↖OB），它可以直接重建缺損部位的組織，強(qiáng)調(diào)IOB與血管化策略結(jié)合再生可能形成的協(xié)同作用。

相關(guān)綜述內(nèi)容以“Synergistic coupling between 3D bioprinting and vascularization strategies”為題于2023年11月20日發(fā)表在《Biofabrication》。

圖1 整個(gè)生物打印過(guò)程

目前，磁共振成像（MRI）、計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）、超聲成像（USG）等各種成像方式（即光學(xué)相干斷層掃描（OCT）、血管造影等）被用于獲取組織和器官的3D解剖（圖1a）。對(duì)于生物打印，目前的工藝方式包括基于液滴的生物打�。―BB）、基于激光的生物打�。↙BB）、基于擠壓的生物打�。‥BB）和基于光技術(shù)（圖1b）。在對(duì)組織和器官替代品進(jìn)行生物打印后，生物打印后的階段對(duì)在合適的生物反應(yīng)器中區(qū)分干細(xì)胞和成熟生物打印替代品起著至關(guān)重要的作用，這是一個(gè)高度依賴時(shí)間的過(guò)程，須在嚴(yán)格控制的條件下進(jìn)行（圖1c）。

圖2 生物打印血管結(jié)構(gòu)中的血管生成因子

在一項(xiàng)研究中報(bào)道了一種雙重生長(zhǎng)因子使骨組織血管化的方法。將具有成骨和血管生成潛能的人牙髓干細(xì)胞的骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2（BMP-2）和容易缺氧的中央?yún)^(qū)VEGF對(duì)人牙髓干細(xì)胞進(jìn)行生物打�。▓D2a）。與非血管化組織相比，預(yù)血管化結(jié)構(gòu)顯示出更快的骨修復(fù)。內(nèi)皮細(xì)胞特異性microRNA-126（miR-126）通過(guò)抑制相反的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路調(diào)節(jié)因子促進(jìn)血管生成因子，如VEGF或FGF。利用miRNA共分化進(jìn)行3D異型血管化前骨形成，通過(guò)使用轉(zhuǎn)染miR-148b和miR-210的ADSCs球狀體制作雙態(tài)結(jié)構(gòu)，并顯示它們的成骨和內(nèi)皮分化、礦化和骨形成潛能（圖2b）。

圖3 直接生物打印的血管組織制造

直接生物打印方法利用細(xì)胞封裝的生物墨水積極主動(dòng)生物打印空心血管結(jié)構(gòu)。因此更傾向于混合不同的材料，以優(yōu)化機(jī)械強(qiáng)度和生物活性之間的適當(dāng)平衡。人微血管內(nèi)皮細(xì)胞和纖維蛋白被生物打印在一起，這些細(xì)胞最終自行排列并在通道內(nèi)增殖（圖3a）。有一項(xiàng)研究將HUVSMCs封裝在海藻酸鈉中，并使用同軸噴嘴以血管導(dǎo)管的形式進(jìn)行生物打印，細(xì)胞在管腔表面及其周圍顯示出膠原蛋白和平滑肌基質(zhì)沉積生長(zhǎng)（圖3b）。

圖4 間接生物打印用于血管化組織制造

間接生物打印利用犧牲墨水，首先沉積在水凝膠基質(zhì)中，然后移除以形成類似中空容器的結(jié)構(gòu)。這些血管可以被內(nèi)皮細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞填充。為了實(shí)現(xiàn)組織構(gòu)建的有效血管化技術(shù)，有研究報(bào)道一種使用3D打印瓊脂糖模板纖維的方法，該方法隨后被移除，以在GelMA內(nèi)創(chuàng)建可灌注網(wǎng)絡(luò)（圖4a）。此外另有研究了幾種水凝膠，包括PEGDA、纖維蛋白-纖維蛋白原-凝血酶和海藻酸鹽，并在可灌注通道內(nèi)形成不同的血管結(jié)構(gòu)（圖4b）。

圖5 可以與生物打印的組織和器官替代品相結(jié)合的其他血管化策略

將復(fù)雜的層次血管網(wǎng)絡(luò)納入生物打印組織結(jié)構(gòu)對(duì)氧合具有重要意義。為了實(shí)現(xiàn)中尺度和微尺度血管網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，在ECM上生物打印自組裝微血管，然后將其連接到更大的植入管狀血管支架內(nèi)部（圖5a）。最近有研究報(bào)道一種新顯微外科技術(shù)能夠創(chuàng)建血管化、更厚、臨床可轉(zhuǎn)化的組織結(jié)構(gòu)（圖5b）。

圖6 生物打印的血管化組織研究

一些異體多層皮膚移植已被用于受損的非愈合皮膚傷口，但由于缺乏對(duì)與宿主組織整合至關(guān)重要的復(fù)雜皮膚微血管系統(tǒng)，這種皮膚移植隨著時(shí)間的推移而失敗。一項(xiàng)研究表明，Zn2SiO4（ZS）納米顆粒支持血管化、受神經(jīng)支配的皮膚再生（圖6a）。骨骼肌是一種動(dòng)態(tài)、異質(zhì)和神經(jīng)支配的組織，由高度分化的肌纖維束組成。通過(guò)使用人類初級(jí)肌肉祖細(xì)胞裝載水凝膠生物膠、犧牲的非細(xì)胞明膠和支持的PCL框架制作3D可植入肌肉結(jié)構(gòu)（圖6b）。在過(guò)去的幾十年里，對(duì)患者特異性骨移植來(lái)修復(fù)骨缺損的需求非常大。最近有研究報(bào)道利用人脂肪來(lái)源的間充質(zhì)干細(xì)胞（ASCs）和HUVECs開(kāi)發(fā)了長(zhǎng)方體狀、前血管化的骨組織結(jié)構(gòu)（圖6c）。目前，心肌梗死和先天性心臟病是世界范圍內(nèi)的主要死亡原因。有研究利用誘導(dǎo)多能干細(xì)胞衍生的類器官進(jìn)行生物打印的心臟組織構(gòu)建（圖6d）。肝臟是人體中最大的腺體，在代謝、解毒、膽汁的產(chǎn)生和電解質(zhì)和水的調(diào)節(jié)等方面起著至關(guān)重要的作用。有研究提出了一種通過(guò)包括EBB、聚二甲基硅氧烷（PDMS）封裝、灌注和移植在內(nèi)的混合系統(tǒng)制造的血管化肝平臺(tái)（圖6e）�？傊�，生物打印領(lǐng)域的進(jìn)步使肌肉骨骼和代謝上高活性的功能組織和器官的制造成為可能。

圖7 IOB：生物打印臨床轉(zhuǎn)化

IOB是指在手術(shù)環(huán)境中對(duì)活體受試者進(jìn)行生物打印的過(guò)程，以精確和準(zhǔn)確的解剖方式促進(jìn)生物制劑沉積到缺陷部位（圖7a）。IOB被用于各種組織重建。例如使用IOB廣泛沉積膠原蛋白，有組織的血管網(wǎng)絡(luò)和增殖角質(zhì)形成細(xì)胞來(lái)替代傷口（圖7b）。有研究使用裝載人ASCs和HUVECs的膠原生物墨水來(lái)治療體積肌肉喪失（VML）（圖7c）。一項(xiàng)基于數(shù)字近紅外光聚合的技術(shù)能夠在體內(nèi)無(wú)創(chuàng)制造組織結(jié)構(gòu)，該技術(shù)包括將皮下注射生物墨水注射到定制組織結(jié)構(gòu)中，使用調(diào)制模式數(shù)字近紅外光的體外輻射（圖7d）。使用具有全層皮膚傷口的豬模型進(jìn)一步證明相同的手持式生物打印機(jī)概念（圖7e）。

在過(guò)去的十年里，生物打印領(lǐng)域的進(jìn)步顯著擴(kuò)展其在再生醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。雖然之前已用生物打印構(gòu)建一些組織移植物，但缺乏血管相互連接和血液供應(yīng)。因而未能充分轉(zhuǎn)化。本文綜述了生物打印及其在血管化背景下的基本步驟，并強(qiáng)調(diào)了最近在血管化組織和器官替代品的生物打印方面取得的進(jìn)展和成就。盡管取得了相當(dāng)大的進(jìn)展，但在尋找血管生成生物墨水和優(yōu)化干細(xì)胞來(lái)源的內(nèi)皮細(xì)胞方面仍存在挑戰(zhàn)。此外，涉及解剖學(xué)相關(guān)的大型動(dòng)物模型的全面轉(zhuǎn)化研究是必要的。通過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試、驗(yàn)證和調(diào)控過(guò)程克服這些障礙，生物打印的組織和器官有望成為推進(jìn)再生醫(yī)學(xué)和未來(lái)臨床應(yīng)用的寶貴資產(chǎn)。

文章來(lái)源：https://doi.org/10.1088/1758-5090/ad0b3f