3D生物打印球体助力骨组织再生

美国宾夕法尼亚州立大学（The Pennsylvania State University，Penn State）的一个跨学科工程师与化学家团队，为3D打印球体（spheroid，即微小的活细胞团簇）奠定了基础，这些球体能够响应严重创伤或感染，促进骨组织再生。

该团队通过将不同链的遗传信息导入未分化的商业化干细胞，证明生物打印——即逐层堆叠器官组织基本构建单元的技术——可以制造出优化支持骨组织再生的细胞团簇。研究人员报告称，这些生物打印的球体不仅能更好地帮助骨组织愈合，还能促进生成组织内新血管的成功形成。团队通过实验室实验和小鼠模型验证了这些发现。

血管化是骨再生的关键

生物打印球体可用于多种应用，包括创建准确的生物模型以测试实验性药物的影响。然而，论文共同通讯作者、宾州州立大学生物医学工程系主任Daniel Hayes解释说，将这些细胞用于再生医学并非一蹴而就。研究人员面临的任务是，从单一基础起点创建功能可能截然不同的细胞网络。

“你体内的所有组织都由不同细胞类型的组合构成，这意味着我们必须找到一种方法，让这些细胞在形成组织的过程中成熟时彼此分化，”Hayes表示。“这个项目试图构建可用于帮助重建这些复杂细胞结构的球体。”

生物打印通常涉及将活细胞包裹在支架中，支架传统上是一种被称为水凝胶的果冻状材料。支架本质上像一个3D基质，活细胞在其中成熟并生长为复杂组织。然而，在使用球体生成骨组织时，促进血管化——即在组织中形成新血管的过程——被证明十分困难。

“没有血管化，传统组织生成技术无法充分再生骨骼，”共同通讯作者、工程科学与力学、生物医学工程及神经外科教授Ibrahim Ozbolat解释说。“我们需要血管化来支撑骨组织中较厚的连接。”

Ozbolat表示，构建组织需要极其精确、协调的细胞网络，这意味着很难将球体组织成成功促进组织生成所需的模式。

吸入辅助生物打印实现精确定位

据Ozbolat介绍，吸入辅助生物打印（aspiration-assisted bioprinting）是Ozbolat及其研究团队开创的一种先进方法，它能够拾取单个球体并将其放置在支架内的特定位置。

“我们希望球体彼此间距相同，以实现均匀再生，”Ozbolat解释说。“吸入辅助生物打印使我们能够将球体精确放置在支架中，这意味着我们可以控制这些球体的确切位置，从而打印出多种不同的复杂组织类型，包括肺或胰腺细胞。”

利用这项技术，团队可以创建不仅支持自然愈合，还能帮助人工生成组织更有效整合到体内的支架。

“这涉及两个方面：我们打印的是最终将帮助形成血管化骨骼的祖细胞，我们希望这些细胞也能帮助驱动自然再生过程，”Hayes评论道。“你不会为普通骨折寻求这种治疗。这是为那些因癌症或感染而遭受严重创伤或骨丢失的人准备的。”

双microRNA链协同促进再生

团队从空白、未分化的干细胞开始，转染（即导入）了源自两条特定microRNA链的外源遗传信息。microRNA是微小的遗传信息分子，可作为开关来启用或禁用细胞的特定特征。所使用的两条链miR-148b和miR-210分别有助于促进骨骼生长和血管化。在让细胞培养几天后，研究人员将细胞团簇组装成球体。利用这些球体，他们制造了多种支架——一些仅包含转染了一条microRNA链的球体，另一些则包含转染了两条链的球体并以交替模式排列。

“我们取这些未分化的干细胞，利用这些microRNA分子在它们完全成熟之前，将其推向优化用于组织生长或在本例中用于血管化的分化路径，”Hayes解释说。“我们将它们引入球体，然后它们被打印到凝胶中，这样随着它们成熟，它们会分化并开始形成规则、可持续的组织。”

将球体打印到支架后，团队让细胞团簇培养并分化28天。随后，他们分析每个团簇表现出的遗传标记，以了解每条microRNA链如何影响球体的特征。与此同时，团队在具有骨组织损伤的免疫缺陷小鼠样本中测试了他们的球体，为期六周。

Ozbolat分享道，在未接受治疗的小鼠中，六周后骨组织再生覆盖了约35%的受损区域，而接受仅含支架的对照球体治疗的小鼠，组织再生覆盖了93%的受损区域，这表明团队的生物打印程序可以在促进组织再生方面发挥重要作用。

加入球体后，团队观察到，在支架中使用microRNA链组合可导致更有效的骨组织发育和血管化，六周结束时报告的整体骨覆盖更多。有趣的是，与未转染组和单一特化组相比，组合组显示出更高的CD31表达——CD31是一种标记血管内壁的蛋白质。尽管研究人员指出这种关系尚未完全理解，但覆盖率的增加表明，具有不同细胞特征的球体可能更好地相互协作，以促进骨骼、血管和整体组织的生长。

团队计划继续他们的工作，特别关注在更大模型中研究这种共同发育关系，以及研究血管化可能如何对打印组织中的骨骼生长产生不利影响。

“随着这些技术越来越接近临床应用，临床医生将需要研究人员提供的大量基础知识，以最好地应用这些新技术，”Ozbolat总结道。“现在有巨大的机会来建立这些知识，因为这些材料已经商业化并可规模化。”

来源：BioTechniques（英文原文，生物航编译，内容以原文为准）