使用3D打印机“生物打印”植物细胞以研究细胞功能

使用3D打印机“生物打印”植物细胞提供了一种可重复的研究细胞通讯的方法。

新的研究揭示了一种可重复的方法，通过3D打印机“生物打印”这些细胞来研究不同类型的植物细胞之间的细胞通讯。更多地了解植物细胞如何相互通信以及与环境通信是更多地了解植物细胞功能的关键。这最终可能导致产生最佳的生长环境和更好的作物品种。

该研究于今天（10月14日）发表在《科学进展》杂志上，来自北卡罗来纳州立大学。

科学家们从模型植物拟南芥和大豆中生物打印了细胞。他们想研究植物细胞在生物打印后是否会存活 - 以及存活多长时间。此外，他们还想研究他们如何获得和改变自己的身份和功能。

“植物根具有许多具有特殊功能的不同细胞类型，”北卡罗来纳州博士后研究员Lisa Van den Broeck说，她是描述这项工作的论文的第一作者。“还有不同的基因组被表达;有些是细胞特异性的。我们想知道在你生物打印活细胞并将它们放入你设计的环境中后会发生什么：它们是否活着并做他们应该做的事情？”

3D生物打印植物细胞的过程在机械上类似于打印墨水或塑料，只需进行一些必要的调整。

植物细胞由3D打印机生物打印，该打印机具有一些必要的调整。图片来源：丽莎·范登布洛克，北卡罗来纳州立大学

“我们使用'生物墨水'或活植物细胞，而不是3D打印墨水或塑料，”Van den Broeck说。“这两种工艺的机制是相同的，植物细胞有一些显着的差异：用于保持环境无菌的紫外线过滤器和多个打印头 - 而不仅仅是一个 - 同时打印不同的生物墨水。

没有细胞壁或原生质体的活植物细胞与营养素，生长激素和称为琼脂糖的增稠剂（一种基于海藻的化合物）一起进行生物打印。琼脂糖有助于提供细胞强度和脚手架，类似于支撑建筑物墙壁砖的砂浆。

“我们发现使用适当的脚手架至关重要，”北卡罗来纳州立大学植物和微生物生物学教授，该论文的共同通讯作者Ross Sozzani说。“当你打印生物墨水时，你需要它是液体的，但是当它出来时，它需要是固体。模仿自然环境有助于保持细胞信号和线索像在土壤中一样发生。

研究表明，超过一半的3D生物打印细胞是活的，并随着时间的推移分裂形成微钙或小的细胞集落。

“我们期望在细胞生物打印当天具有良好的活力，但我们从未在生物打印后几个小时内维持细胞，因此我们不知道几天后会发生什么，”Van den Broeck说。“在手动移液细胞后显示出类似的活力范围，因此3D打印过程似乎不会对细胞造成任何有害影响。

“这是一个手动困难的过程，3D生物打印控制液滴的压力和打印液滴的速度，”Sozzani说。“生物打印为生物打印后细胞结构的高通量处理和控制提供了更好的机会，例如层或蜂窝形状。

研究人员还对单个细胞进行了生物打印，以测试它们是否可以再生，或者分裂和繁殖。研究结果表明，拟南芥根和芽细胞需要不同的营养和支架组合才能获得最佳生存能力。

同时，超过40%的单个大豆胚胎细胞在生物打印后两周保持存活，并且随着时间的推移也分裂形成微钙。

“这表明3D生物打印可用于研究作物植物中的细胞再生，”Sozzani说。

最后，研究人员研究了生物打印细胞的细胞身份。拟南芥根细胞和胚胎大豆细胞以高增殖率和缺乏固定身份而闻名。换句话说，像动物或人类干细胞一样，这些细胞可以成为不同的细胞类型。

“我们发现生物打印的细胞可以具有干细胞的身份;它们分裂，生长并表达特定的基因，“范登布洛克说。“当你生物打印时，你打印了整个细胞类型群体。我们能够检查3D生物打印后单个细胞表达的基因，以了解细胞身份的任何变化。

研究人员计划继续研究3D生物打印后的细胞通讯，包括在单细胞水平上。

“总而言之，这项研究显示了使用3D生物打印来确定在受控环境中支持植物细胞活力和通信所需的最佳化合物的强大潜力，”Sozzani说。

该研究发表在《科学进展》上，并得到了美国国家科学基金会 EAGER 资助 MCB #203928 和巴斯夫植物科学的支持。北卡罗来纳州立大学机械和航空航天工程助理教授蒂姆·霍恩（Tim Horn）是该论文的共同通讯作者。

“建立一种可重复的方法，通过3D生物打印研究植物细胞的细胞功能”

摘要：在三维（3D）环境中捕获细胞间信号是研究细胞功能的关键。当前培养方法的一个主要挑战是缺乏准确捕获多细胞3D环境。在这项研究中，我们建立了一个3D生物打印植物细胞的框架，以研究细胞活力，细胞分裂和细胞身份。我们为生物打印的拟南芥和大豆细胞建立了长期的细胞活力。为了分析生成的大型图像数据集，我们开发了一个高通量图像分析管道。此外，我们展示了生物打印细胞的细胞周期再入，其时间与核心细胞周期基因和再生相关基因的诱导相吻合，最终导致微卡鲁的形成。最后，生物打印的拟南芥根细胞表达内胚层标志物的身份保持了更长的时间。这里建立的框架为3D生物打印的一般用途铺平了道路，用于研究细胞重编程和细胞周期再入组织再生。