《自然·材料新闻》生物打印水凝胶类器官，指导组织规模的自组织

【科学背景】

近日，美国加州大学旧金山分校Zev J. Gartner教授团队在《Nature Materials News&Views》上发表Guiding tissue-scale self-organization一文。该文观点评论解析如下：

要点：一种生物打印方法，利用形成类器官的干细胞作为水凝胶中的活泼墨水，可指导组织规模的自组织产生更现实的胃肠道和血管组织构造。

【图文解析】

类器官是盘中的微型干细胞衍生组织，通过自组织形成体内类似的细颗粒组织结构和细胞异质性。这些功能为发展和疾病进展的机制提供了新的见识。然而，类器官不能概括在体内发现的许多粗粒度的结构特征，这些特征的长度范围从几百微米到几厘米。这自然导致了一个问题，即要使类器官模型的应用扩展到组织的这些更大范围的特征，必须进行哪些开发。为了回答这个问题，Matthias Lutolf及其同事报告了一种简单易用的生物打印的方法，该方法使用形成类器官的细胞墨水。他们的方法为将生物打印机提供的粗粒度结构控制与类器官自组织产生的细粒度结构控制相结合奠定了基础(doi.org/10.1038/s41563-020-00803-5)。

类器官作为基础研究，再生医学和疾病建模工具的承诺源自其自组织过程中自发产生的复杂组织结构。但是，允许组织自组织而不受周围胚胎提供的约束的结果是，组织通常以意想不到的或不受控制的方式形成。在三维细胞外基质（ECM）水凝胶（例如重构的基底膜Matrigel）中培养类器官，为类器官的自组织提供了许多重要的机械和生物学线索。然而，所得的类器官可以采用由随机过程以及微环境和细胞异质性引起的各种尺寸，形状和细胞类型组成。此外，许多器官在跨越数百微米到厘米的长度尺度上显示出复杂的结构。自组织的这些特征是由于空间附近的细胞之间的相互作用（如当前的类器官培养物中发生的）以及类器官培养物中缺少的来自周围胚胎组织的提示而产生的。通过将类器官植入到活体动物中来重新引入这种线索已被用于促进大规模组织结构的发展。然而，这些过程在类器官培养中概括仍是挑战。因此，人们非常有兴趣采用多种组织工程学自上而下的工具（包括微图案制作，生物打印和光刻等）来在时间和空间上排列其他组织类型，以更好地指导类器官的自组织。最终，将自上而下的制造方法的优势与活细胞的自下而上的自组织能力相结合对于实现构建更复杂和功能更强大的组织和器官的潜力至关重要。

图1：使用生物打印辅助的组织出现方法生成大规模组织。a，将基于注射器的挤出生物打印技术与带有手动控制台的显微镜相结合，以打印由基质内形成类器官干细胞组成的生物墨水。b，如组织学和宏观图像所示，将打印的构造物几何引导以自组织成具有管腔结构的模拟组织的肠和血管类器官。比例尺，200 µm。

在此概念验证中，Lutolf及其同事证明了在由注射泵和显微镜构建的简单生物打印机挤出后，由解离的类器官祖细胞，间充质细胞和内皮细胞构建的厘米级组织特征的生成（图1a）。显微镜使用载物台控件和实时视觉反馈提供精确的移动和定位，从而使用户可以通过肉眼微调挤压参数。细胞在培养基中的致密悬浮液会在凝固前的几分钟内直接印到液体ECM凝胶中。作者可以控制细胞密度，喷嘴大小和挤出速度，以调节组织的形态。打印的组织最初是简单的线条和悬浮在ECM凝胶中的点，随着它们的生长会凝结成连续的组织，然后随着它们开始自组织成类器官而形成微观结构（图1b）。肠类器官和内皮细胞均形成管腔，而肠类器官又沿管的外表面形成隐窝结构，类似于散布在整个小肠中的隐窝。通过使用不同的细胞墨水顺序使用此方法，还可以生成具有多种细胞类型的更复杂的组织。在一项特别引人注目的演示中，从肠和胃中分离出的独特干细胞被组合在一起，形成了混合的胃和肠类器官，模仿了具有特定器官特征（如平滑的胃区和隐窝覆盖的肠区）的胃肠道。使用类似于最近研究中发表的策略，作者还通过在特定位置挤出基质细胞的液滴，将不同的细胞类型依次沉积到同一基质中。基质细胞的存在导致管腔直径的增加，从而允许肠类器官的灌注。

该报告为类器官生物学家提供了一种新方法，该方法依赖于自动化显微镜和注射泵，这在大多数现代实验室中都很容易获得。此外，作者使用最常见的实验室基质（I型胶原和Matrigel）验证了该方法。与以前的生物打印技术不同，该技术已经将仅细胞生物墨水打印到水凝胶支持浴或合成水凝胶中，与标准ECM的兼容性允许从以前为其他类器官开发的优化条件更轻松地过渡到此生物打印方式。研究其他类器官中的大规模形态发生和空间信号传导将是一个令人兴奋的下一步。然而，在生物打印机提供的额外限制下，是否需要额外的优化来实现类器官自组织的全部潜力还有待观察。同样，生物打印机如何才能有助于大脑，肾脏和乳腺类器官（尤其是其他器官）的形态受控，还有待进一步研究。类似于使用微生理系统或单片器官的方法，将这些文化与灌注系统连接的标准化方法，例如同一研究小组最近发布的可灌注类器官，也将是未来发展的重要领域。类器官生物学与组织工程学的不断增长的交集，继续为研究，概括和控制器官发育的复杂特征提供了令人兴奋的机会。

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