3D生物打印藻類可用作工程血管化組織中人類細胞的可持續(xù)氧源

研究人員在11月18日出版的《物質》雜志上報道，三維生物打印藻類可用作工程血管化組織中人類細胞的可持續(xù)氧源。他們將生物打印的光合藻類與來自人類肝臟的細胞嵌入3D水凝膠基質中，以創(chuàng)建類似小葉的蜂窩狀組織，類似人類肝臟。研究人員表示，在未來，這種環(huán)保、高性價比的3D生物打印方法可能在疾病建模、藥物開發(fā)、再生和個性化醫(yī)學甚至食品工程等應用中具有潛力。

資深研究作者Y. Shrike Zhang(哈佛醫(yī)學院和布里格姆女子醫(yī)院的生物工程師)說：“這項研究是共生組織工程中的第一個真正的例子，它使用3D生物打印，以一種生理學上有意義的方式將植物細胞和人類細胞結合起來?！?。“我們的研究提供了一個獨特的例子，說明我們如何利用自然界中常見的共生策略來增強我們改造人類功能組織的能力。”

為了替代器官功能，恢復器官功能，對人工組織的需求越來越大，在過去的十年中，三維生物打印技術被用于制造生物醫(yī)學和組織工程應用的組織支架。該方法通常包括在表面沉積生物墨水，以產生具有所需結構和形狀的三維結構，從而概括包括血管在內的器官和組織，血管在將氧氣和營養(yǎng)物質輸送到全身方面起著關鍵作用。Bioink本質上是一種含有活細胞、生物材料和其他生長補充劑的水凝膠。它模擬所需組織的細胞外基質，支持包埋細胞的生長。

盡管三維組織的制造已經(jīng)取得了進展，但主要的限制是在整個工程組織中保持足夠的氧氣水平，以促進細胞的存活、生長和功能。研究人員試圖通過混合釋放氧氣的生物材料來解決這個問題，但這些材料通常不能長時間工作，有時對細胞有毒，因為它們會產生過氧化氫或其他活性氧等分子。張說：“迫切需要一種能夠從工程組織內部持續(xù)釋放氧氣的方法?！?

為了滿足這一需求，張和他的同事開發(fā)了一種基于藻類的3D生物打印方法，該方法將血管模型結合到工程組織中，并為組織中的人類細胞提供了可持續(xù)的氧源。具體來說，他們使用了被稱為萊茵衣藻的光合單細胞綠藻。這種共生策略對藻類也有好處，藻類的生長部分是由周圍人體細胞釋放的二氧化碳支撐的。

第一步涉及3D生物打印藻類。研究人員將萊茵石藻封裝在一種主要由纖維素組成的生物墨水中，纖維素是植物、藻類和真菌的主要結構成分。生物墨水用針頭裝入注射器，生物打印機用于擠壓生物打印。

接下來，研究人員將生物打印的藻類和人體肝臟細胞嵌入三維水凝膠基質中。生物打印萊茵衣藻通過光合作用釋放氧氣，增強人體細胞的活力和功能。人類細胞生長到高密度并產生肝臟特異性蛋白質。張說：“以前很難在工程血管化的人體組織中獲得高細胞密度?！?

最后，研究人員利用纖維素酶降解基于纖維素的生物墨水，然后用人體血管細胞填充左側中空微通道，從而在類肝組織中形成血管網(wǎng)。張說：“這種逃逸的生物墨水的開發(fā)允許在單個組織構建體中進行初始氧化和隨后的血管生成，這還沒有報道?！?這是成功完成動態(tài)和功能性組織工程的關鍵一步."

最后，三維血管化氧化工程組織具有未來植入的潛力，可以實現(xiàn)人體組織再生。如果使用患者特異性細胞，這些組織還可用于藥物篩選和開發(fā)、疾病機制研究和個性化藥物。

三維生物打印技術的另一個潛在應用是食品工程。它代表了微藻蛋白質、碳水化合物、多不飽和脂肪酸、類胡蘿卜素、維生素和必需礦物質的豐富來源。這些生物活性化合物可以混合到創(chuàng)新的養(yǎng)殖食品中，以提高其營養(yǎng)價值，促進健康。

但與此同時，還需要更多的努力來優(yōu)化這種方法。例如，可以改進培養(yǎng)基以促進萊茵衣藻和人類細胞的生長，并且可以調節(jié)光照條件以優(yōu)化藻類的氧氣供應。此外，對藻類的生物安全性、毒性和免疫相容性的詳細研究將對未來的臨床翻譯具有重要意義。張說：“這項技術不能馬上用于人類?！薄斑@還是概念的證明，需要大量的后續(xù)研究來翻譯?！?

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