3D生物打印技術(shù)在增強(qiáng)類器官工程中的最新進(jìn)展

類器官（Organoids）作為一種能夠模擬人體器官結(jié)構(gòu)與功能的三維培養(yǎng)系統(tǒng)，近年來在模擬人類病理生理學(xué)的研究中引起了廣泛關(guān)注。類器官通常來源于具備自我更新和分化能力的多能干細(xì)胞或組織來源的祖細(xì)胞。與傳統(tǒng)的二維培養(yǎng)系統(tǒng)和動物模型相比，類器官在基因與蛋白質(zhì)的表達(dá)、代謝功能及微觀組織結(jié)構(gòu)等方面更為接近天然器官，因此被認(rèn)為是更理想的體外模型。

盡管類器官技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但在構(gòu)建與培養(yǎng)方面仍面臨顯著挑戰(zhàn)。例如，手動傳代與培養(yǎng)過程既耗時又成本高昂；由于缺乏免疫系統(tǒng)與血管系統(tǒng)，作為微型三維結(jié)構(gòu)的類器官在復(fù)雜性上無法與天然組織相提并論；將類器官與組織工程支架整合或組裝存在一定困難；此外，在藥物開發(fā)過程中，利用高通量技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用依舊十分復(fù)雜。

3D生物打印作為一種新興的生物增材制造技術(shù)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于骨骼、心臟、皮膚、肝臟、大腦、腸道及胰腺等組織工程領(lǐng)域。3D生物打印利用生物墨水（由活細(xì)胞與支撐材料如水凝膠的混合物）通過在三維空間中精確沉積與組裝細(xì)胞及生物材料，以構(gòu)建復(fù)雜結(jié)構(gòu)。通過調(diào)整生物打印參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)生物墨水的精準(zhǔn)空間沉積，而程序化的計算機(jī)輔助自動化操作則使得3D生物打印具備操作步驟的可重復(fù)性及多個打印對象的批量生產(chǎn)能力。

這些優(yōu)勢使得3D生物打印有潛力通過按照既定程序在預(yù)定位置打印各種生物材料或細(xì)胞，從而構(gòu)建異質(zhì)細(xì)胞微環(huán)境，進(jìn)而促進(jìn)當(dāng)前類器官培養(yǎng)技術(shù)的發(fā)展。根據(jù)3D生物打印與類器官形成的順序，3D生物打印在類器官培養(yǎng)中發(fā)揮著不同的作用。在類器官培養(yǎng)之前，可以利用3D生物打印構(gòu)建具有特殊通道或腔室的培養(yǎng)板，以便于信號傳導(dǎo)或?qū)崿F(xiàn)可灌注結(jié)構(gòu)。高密度生物打印含細(xì)胞的生物墨水能促進(jìn)細(xì)胞的自組裝與類器官的成熟。而在類器官形成后，生物打印則包括構(gòu)建不同細(xì)胞相互作用的分層結(jié)構(gòu)、血管網(wǎng)絡(luò)，以及專門設(shè)計的建構(gòu)模塊，以誘導(dǎo)形態(tài)發(fā)生、結(jié)構(gòu)極化和類器官的功能成熟。

近期，重慶大學(xué)崔海軍、崔海濤發(fā)布在Advanced healthcare materials期刊，題為Integrating 3D Bioprinting and Organoids to Better Recapitulate the Complexity of Cellular Microenvironments for Tissue Engineering的綜述旨在介紹近期3D生物打印技術(shù)在增強(qiáng)類器官工程中的最新發(fā)展。

主要內(nèi)容
1) 用于類器官三維生物打印的技術(shù)及其優(yōu)缺點(diǎn)：該研究系統(tǒng)地總結(jié)了多種生物打印技術(shù)，包括擠出式生物打印、基于液滴的生物打印、立體光刻、數(shù)字光處理、體積式生物打印、磁輔助生物打印和抽吸輔助生物打印。對于每種技術(shù)，研究深入探討了其優(yōu)點(diǎn)（例如，擠出式生物打印具備良好的通用性和大規(guī)模打印能力，立體光刻則以其高分辨率和多樣的材料選擇而著稱）、局限性（如材料的限制、打印速度較慢等）以及適用的類器官類型。這為研究人員在選擇合適的生物打印技術(shù)時提供了重要的參考依據(jù)。

圖1 可用的類器官3D生物打印技術(shù)及其優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用

2）改進(jìn)的生物打印技術(shù)促進(jìn)了類器官的進(jìn)展：本研究探討了從細(xì)胞來源到最終功能之間的完整工作流程，涵蓋了精確定位、逐層沉積、微環(huán)境構(gòu)建、高通量生產(chǎn)以及空間定位等多個關(guān)鍵功能。這些技術(shù)的綜合應(yīng)用使得類器官的制備過程更加標(biāo)準(zhǔn)化且更具可控性。

圖2 改進(jìn)的類器官的生物打印方法

3）用于類器官生物打印的生物墨水：本研究探討了多種常用的天然材料（例如海藻酸鹽、透明質(zhì)酸及膠原蛋白）與合成材料（如GelMA和PEGDA）的化學(xué)結(jié)構(gòu)及其特性。這些材料的選擇對成功構(gòu)建類器官具有重要意義。

圖3 用于類器官生物打印的生物墨水

4）高細(xì)胞密度生物打印中形成基于纖維的細(xì)胞聚集體的過程：本研究通過優(yōu)化生物墨水的配方及打印參數(shù)，達(dá)成了細(xì)胞的高密度排列，進(jìn)而增強(qiáng)了細(xì)胞之間的相互作用。特別地，在包埋浴中加入水后，可以將黃原膠的粘度稀釋至水的水平，這樣在沒有添加相應(yīng)酶的情況下，便能夠輕松提取出打印的結(jié)構(gòu)。

圖4 高密度細(xì)胞生物打印形成纖維基細(xì)胞聚集物

5）利用精確沉積技術(shù)構(gòu)建復(fù)雜的類器官結(jié)構(gòu)：三維生物打印在制作管道、柱體、腔體以及微結(jié)構(gòu)等組件方面展現(xiàn)出顯著的潛力。通過增加空間約束，能夠有效誘導(dǎo)類器官的形態(tài)發(fā)生與生理成熟。此外，通過對生物材料的空間分布進(jìn)行精確控制，可以實(shí)現(xiàn)特定的幾何形狀和細(xì)胞排列。

圖5 利用精確的沉積物來創(chuàng)造復(fù)雜的類器官結(jié)構(gòu)

6) 自動化與高通量技術(shù)在類器官培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)化中的應(yīng)用：三維生物打印被認(rèn)為是一種有潛力的方法，旨在提升類器官的重現(xiàn)性，同時加速標(biāo)準(zhǔn)化及藥物篩選的周期。已有研究致力于開發(fā)自動化類器官平臺，以解決器官培養(yǎng)中的效率和標(biāo)準(zhǔn)化問題。研究人員結(jié)合了微流控技術(shù)與三維打印，利用3D微流體液滴打印機(jī)將由細(xì)胞和基質(zhì)凝膠組成的類器官前體打印至96孔板中，該平臺能夠在一周內(nèi)生成超過400微米的類器官，展現(xiàn)出器官間的一致性與患者間的多樣性。同樣，三維打印技術(shù)與微流控技術(shù)的結(jié)合，使得在384孔板上實(shí)現(xiàn)高通量類器官打印成為可能，僅需使用5微升的生物墨水。

圖6 實(shí)現(xiàn)自動化和高通量，以標(biāo)準(zhǔn)化類器官培養(yǎng)

7）骨骼、肝臟及心臟類器官的三維生物打印應(yīng)用實(shí)例：通過特定的打印策略與材料選擇，實(shí)現(xiàn)了這些復(fù)雜器官的體外重建。利用三維生物打印技術(shù)和硅酸鈣（CS）納米線，提升了受神經(jīng)支配的骨類器官的形狀保真度，并同時促進(jìn)了成骨與神經(jīng)發(fā)生。借助計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）及自動化技術(shù)，三維打印技術(shù)為肝類器官提供了個性化藥物測試、肝再生及肝臟疾病模型等病理生理學(xué)分析的顯著優(yōu)勢。此外，該技術(shù)還為心臟類器官的構(gòu)建提供了一種通用解決方案，包括幾何結(jié)構(gòu)、血管化及高效生產(chǎn)等方面。

圖7 骨、肝臟和心臟類器官的3D生物打印

8) 研究團(tuán)隊通過對打印參數(shù)和材料配方的優(yōu)化，成功實(shí)現(xiàn)了消化系統(tǒng)類器官的生物打印，這些器官具備特定的功能性結(jié)構(gòu)。

圖8 腸道和腎臟類器官的3D生物打印

9）癌癥類器官及其組裝體的構(gòu)建過程：通過將多種細(xì)胞類型與生物材料相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了腫瘤微環(huán)境的體外重建。生物打印技術(shù)使得復(fù)制腫瘤微環(huán)境成為可能，并有望建立體外的臨床前腫瘤模型，這對于高通量及個性化藥物篩選具有重要意義。

圖9 癌癥類器官和集合體的三維生物打印

10）一體化平臺及通用生物墨水系統(tǒng)的演變趨勢：本研究探討了未來類器官生物打印技術(shù)的關(guān)鍵發(fā)展方向。通過調(diào)整一系列參數(shù)，整合這些打印功能有望將有機(jī)培養(yǎng)過程簡化為一系列易于控制的程序指令。所設(shè)計的一體化平臺預(yù)期能夠有效縮短類器官培養(yǎng)與三維生物打印之間的距離。此外，具有可調(diào)節(jié)物理化學(xué)特性與生物活性的合成水凝膠能夠模擬多種組織的細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）特性，極有可能成為類器官三維生物打印的理想通用生物墨水。

圖10 在一個一體化的平臺和通用的生物墨水系統(tǒng)中出現(xiàn)的趨勢

總結(jié)
綜上所述，本綜述概述了用于類器官的主要生物打印技術(shù)及材料，尤其強(qiáng)調(diào)了將三維生物打印與類器官結(jié)合所帶來的潛在優(yōu)勢。這些優(yōu)勢主要體現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)高細(xì)胞密度以形成大規(guī)模細(xì)胞聚集體、精確沉積構(gòu)建模塊以構(gòu)建具備復(fù)雜結(jié)構(gòu)和功能的類器官，以及自動化和高通量技術(shù)的應(yīng)用，以保障類器官培養(yǎng)過程的重復(fù)性和標(biāo)準(zhǔn)化。

參考文獻(xiàn)
Hu Y, Zhu T, Cui H, Cui H. Integrating 3D Bioprinting and Organoids to Better Recapitulate the Complexity of Cellular Microenvironments for Tissue Engineering. Adv Healthc Mater. 2024 Dec 8:e2403762. doi: 10.1002/adhm.202403762. Epub ahead of print. PMID: 39648636.