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來源：醫(yī)麥客新聞
目前，全球每年有數(shù)千萬的人因病體組織損傷或喪失而尋求恢復(fù)和重建，如果我們可以通過某種技術(shù)制造出精確匹配患者組織結(jié)構(gòu)的生物替代品，這種需求就變得像機(jī)器人替換零件一樣簡單！這并非異想天開，生物3D打印技術(shù)的發(fā)展正在讓這種科幻般的想象逐步邁向現(xiàn)實。
▲器官的應(yīng)用領(lǐng)域，圖源： DOI：10.1002/advs.202101394
近年來，生物3D打印技術(shù)迎來了廣泛應(yīng)用和深入研究，科學(xué)是無窮復(fù)雜的，但研究人員可以通過其獨特的理解和探索，為人類步入未來醫(yī)療打下一份基礎(chǔ)。近日，牛津大學(xué)一篇發(fā)表在Nature Communications 的文章中展示了一種利用3D打印人類干細(xì)胞iPSC制造簡化大腦皮層的技術(shù)，結(jié)果顯示該技術(shù)所打印的組織植入小鼠腦切片后能與宿主組織完美整合，這表明研究人員在控制人類iPSC的分化和排列以形成大腦皮層的基本功能單元方面取得了實質(zhì)性進(jìn)展，并有望用于治療腦損傷，打開了創(chuàng)建針對腦損傷的個性化植入治療的大門。
▲實驗設(shè)計，圖源：DOI：10.1038/s41467-023-41356-w
設(shè)計具有不同細(xì)胞類型和結(jié)構(gòu)的人體組織是具有挑戰(zhàn)性的，大腦尤甚。大腦皮層由組織成垂直列的層特異性神經(jīng)元組成，不僅具有六層結(jié)構(gòu)，還有不同層之間神經(jīng)回路的皮層內(nèi)連接，通過復(fù)雜的神經(jīng)回路提供更高的認(rèn)知。
▲ 生成特異性神經(jīng)細(xì)胞，圖源： DOI：10.1038/s41467-023-41356-w
研究人員首先將hiPSCs分為神經(jīng)祖細(xì)胞（NPs）的兩種亞型，上層和深層神經(jīng)祖細(xì)胞（UNP和DNP），然后將這些細(xì)胞懸浮在溶液中，生成兩種“生物墨水”。接著使用3D液滴打印技術(shù)將這些層特異性NP打印產(chǎn)生結(jié)構(gòu)明確且無支架的軟組織，即具有兩層組織的大腦皮質(zhì)組織，可在體外保持層狀結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出層特異性生物標(biāo)志物表達(dá)并形成結(jié)構(gòu)上整合的過程網(wǎng)絡(luò)，研究人員在3D打印一周多后的體外培養(yǎng)過程中觀察了神經(jīng)元的遷移和成熟。最后將打印的皮質(zhì)組織植入離體小鼠腦外植體的病變中時，植入物與宿主在組織形成結(jié)構(gòu)連接并保持其鈣離子活性，即在邊界上發(fā)生實質(zhì)性的結(jié)構(gòu)整合，表現(xiàn)出與宿主組織的結(jié)構(gòu)和功能一體化，這一點可以通過突起的投射和神經(jīng)元的遷移來證明。
未來，研究人員的目標(biāo)是在更長的植入后孵化時間后進(jìn)行植入，以獲得更先進(jìn)的修復(fù)。研究人員還打算進(jìn)一步完善液滴打印技術(shù)，以創(chuàng)建復(fù)雜的多層大腦皮層組織，更逼真地模仿人腦的結(jié)構(gòu)。除了修復(fù)腦損傷的潛力外，這些工程組織還可用于藥物評估，大腦發(fā)育研究，并提高我們對認(rèn)知基礎(chǔ)的理解。
干細(xì)胞3D打印的想象力
生物材料3D打印因具有個性化、精準(zhǔn)化生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，越來越受到重視。生物材料3D打印研究已經(jīng)在醫(yī)療與手術(shù)設(shè)計模型、手術(shù)導(dǎo)板、體外醫(yī)療器械，及非降解永久植入物等方面取得重要進(jìn)展，并已經(jīng)開展臨床應(yīng)用。生物材料科學(xué)領(lǐng)域的突破為生物3D打印提供了豐富的"墨水"選擇，不僅能夠滿足復(fù)雜的生物打印需求，還能夠攜帶并逐步釋放生長因子和藥物，助力恢復(fù)過程。同時，隨著干細(xì)胞療法和基因工程技術(shù)等領(lǐng)域的進(jìn)展，我們對生物3D打印的認(rèn)知和應(yīng)用也將得到更深層次的拓展。
▲ 廣義生物3D打印的發(fā)展階段
2022年12月，清華大學(xué)馬少華副教授團(tuán)隊首次研發(fā)出“高通量干細(xì)胞微球原位3D打印機(jī)”， 在國際上率先實現(xiàn)了無接觸式干細(xì)胞微球原位打印移植，并提出“高密度干細(xì)胞微球間隙式移植技術(shù)”，可提升在有限干細(xì)胞數(shù)量條件下的移植面積，大幅提升了干細(xì)胞移植留存率，在重度骨骼肌創(chuàng)傷和毛囊再生方面顯示出良好的修復(fù)效果，并有望應(yīng)用于大面積皮膚創(chuàng)傷和軟器官損傷修復(fù)。
▲ 圖源：DOI：10.1002/adhm.201700298
2023年6月，來自美國加州大學(xué)的研究者們生物打印技術(shù)生成腫瘤類器官，并使用高速活細(xì)胞干涉測量和基于機(jī)器學(xué)習(xí)的定量來篩選藥物。這種方法允許表征治療反應(yīng)，并捕獲臨床觀察到的治療耐藥性的短暫變化和樣本內(nèi)異質(zhì)性。
2023年7月，清華大學(xué)王秀梅教授團(tuán)隊利用生物3D打印技術(shù)，把神經(jīng)干細(xì)胞(NSCs)打印成神經(jīng)樣纖維，完成了出色的功能重建，可以改善生態(tài)微環(huán)境從而促進(jìn)大段脊髓損傷再生，揭示了植入后活性結(jié)構(gòu)的演變過程，為脊髓損傷的臨床治療提供了新思路。
2023年8月，滑鐵盧大學(xué)的研究小組實現(xiàn)了復(fù)雜腫瘤模型的3D打印，該模型不僅反映了腫瘤的復(fù)雜性，而且還模擬了腫瘤周圍的環(huán)境。一個復(fù)雜癌癥的活的三維模型可以用來測試不同的治療模式，這為研究癌細(xì)胞的行為提供了具有高空間和時間分辨率的優(yōu)秀工具。
2023年9月，中國科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院科研團(tuán)隊在豬體內(nèi)成功培育人類腎臟長達(dá)28天，這也是世界范圍內(nèi)首次報告人源化功能器官異種體內(nèi)培育案例。
▲ 圖源： DOI：10.1002/advs.202101394
2023年10月9日，Carcinotech和 3D 生物打印公司CELLINK宣布合作打造利用3D 生物打印制造腫瘤模型，并推進(jìn)其商業(yè)化應(yīng)用。這些模型能夠大幅提高治療準(zhǔn)確性并加快藥物開發(fā)流程，降低藥物開發(fā)成本。
現(xiàn)有的類器官往往是指受組織限制的成體干細(xì)胞、誘導(dǎo)多功能干細(xì)胞或腫瘤細(xì)胞組成，但血管化、免疫化、系統(tǒng)化三大難題是既往構(gòu)建方式難以突破的。通過生物3D打印技術(shù)，可以實現(xiàn)類器官的手工構(gòu)建替代，從自動化程度和仿生程度全方位提升類器官質(zhì)量，已經(jīng)逐漸稱為構(gòu)建類器官的新一代方法。生物3D打印為類器官的構(gòu)建帶來了全自動化的高通量生產(chǎn)、高穩(wěn)定性和可重復(fù)性的批量模型、復(fù)雜可控的類器官結(jié)構(gòu)、高黏度仿生材料的穩(wěn)定精準(zhǔn)打印等諸多優(yōu)勢，未來將加速精準(zhǔn)醫(yī)療、再生醫(yī)學(xué)、藥物篩選、基因編輯、疾病建模等領(lǐng)域的發(fā)展。充分發(fā)揮干細(xì)胞3D打印的優(yōu)勢，為未來醫(yī)療的發(fā)展提供更多想象空間。
▲ 圖源： DOI：10.1002/advs.202101394