研究人員在功能性人體組織3D打印方面取得突破

2023年8月24日，南極熊獲悉，悉尼大學(xué)和兒童醫(yī)學(xué)研究所（CMRI）的科學(xué)家團隊宣稱，利用3D光刻印刷技術(shù)制造了能夠準確模擬器官結(jié)構(gòu)的功能性人體組織。

△微結(jié)構(gòu)壁龕的機械化學(xué)流光刻 (MCFL) 3D打印技術(shù)

研究人員利用生物工程和細胞培養(yǎng)技術(shù)，指導(dǎo)從血細胞和皮膚細胞中提取的干細胞分化為特定類型的細胞。這些特定類型的細胞可以形成類似器官的結(jié)構(gòu)。

該項目由悉尼大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院的Hala Zreiqat教授和Peter Newman博士，以及CMRI的胚胎學(xué)研究部門負責(zé)人Patrick Tam教授領(lǐng)導(dǎo)。該團隊的研究論文題為《利用機械化學(xué)微結(jié)構(gòu)細胞壁龕進行多細胞圖案化編程》，已發(fā)表在《Advanced Science》雜志上。

△該研究已發(fā)表在Advanced Science雜志上（傳送門）

展望未來，研究團隊將繼續(xù)發(fā)展他們的技術(shù)，推動再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，并探索治療各種疾病的新方法。

Hala Zreiqat教授評論道：“我們的新方法相當(dāng)于給細胞提供了一本指南，使它們能夠創(chuàng)建更有組織性、更接近其自然對應(yīng)物的組織。這是朝著能夠3D打印工作組織和器官的目標邁出的重要一步?！?br />

△3D打印過程圖

細胞使用說明書

細胞需要通過定位精確的蛋白質(zhì)和機械觸發(fā)器的詳細指令來構(gòu)建組織。據(jù)Newman博士介紹，如果沒有這些特定的指令，細胞很可能以不可預(yù)測和不精確的方式聚集在一起。

通過這項研究，科學(xué)家們利用一種新穎的3D光刻印刷技術(shù)生成微觀的機械和化學(xué)信號，引導(dǎo)細胞形成準確有序的類器官結(jié)構(gòu)。

這種技術(shù)成功地創(chuàng)建了類似骨骼結(jié)構(gòu)的骨脂組織。還利用這種方法制造了類似早期哺乳動物發(fā)育過程的組織組裝。

Tam教授評論道：“過去，干細胞的培養(yǎng)可以產(chǎn)生許多細胞類型，但我們無法控制它們在3D空間中的分化和組裝。通過這種生物工程技術(shù)，我們現(xiàn)在可以指導(dǎo)干細胞形成特定的細胞類型，并在時間和空間上正確組織這些細胞，從而重現(xiàn)器官的真實發(fā)育過程。”

△研究人員開發(fā)了一本細胞“使用說明書”

潛在的醫(yī)療應(yīng)用

希望這項研究能夠推動對器官發(fā)育和功能的理解，以及遺傳突變和發(fā)育錯誤如何影響器官疾病的研究。

此外，據(jù)稱這項研究為細胞和基因治療的發(fā)展提供了潛力。事實上，能夠產(chǎn)生所需的細胞類型可以促進臨床相關(guān)干細胞的生產(chǎn)，用于治療目的。

Hala Zreiqat教授解釋道：“這種方法具有巨大的實際意義。例如，在再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，器官移植迫切需要，進一步利用這種方法的研究可能有助于在實驗室中培育功能性組織。”

Peter Newman博士補充說：“這項技術(shù)可能會徹底改變我們研究和理解疾病的方式。通過創(chuàng)建疾病組織的準確模型，我們可以在受控環(huán)境中觀察疾病的進展和治療反應(yīng)?！?br />
研究人員特別希望他們的發(fā)現(xiàn)能夠幫助治療由黃斑變性和遺傳疾病引起的視力喪失，導(dǎo)致視網(wǎng)膜光感受器細胞的喪失。

Tam教授說道：“如果我們能夠通過生物工程生成一片細胞，并觀察整個系統(tǒng)的功能，那么我們就可以研究使用功能性細胞替代因疾病而喪失的眼睛細胞的治療方法?！?br />
他補充道：“如果我們能夠?qū)⒔】导毎斔偷窖劬χ?，將會產(chǎn)生巨大的影響。無論黃斑（視網(wǎng)膜中負責(zé)中央視覺的區(qū)域）是因為遺傳疾病還是因為創(chuàng)傷而喪失，治療方法都是相同的?！?br />

△BICO的Bio X 3D生物打印機是一種基于擠出的系統(tǒng)

正在發(fā)展的3D打印器官

盡管這項研究的結(jié)果令人充滿希望，但能夠3D打印可移植的器官仍然需要一段時間才能實現(xiàn)。然而，一些公司正在朝著這個長期目標取得進展。

去年，新澤西州史蒂文斯理工學(xué)院的研究人員宣布，他們利用計算建模技術(shù)推進了基于微流控的3D生物打印，希望這能夠?qū)崿F(xiàn)整個人體器官的3D打印。

此外，烏得勒支大學(xué)的一個研究團隊已經(jīng)成功利用超快體積3D生物打印技術(shù)制造出工作的肝臟。該團隊通過3D打印器官樣體（由干細胞制成的約1毫米的迷你單元，復(fù)制了其參考組織的某些特征）在不到20秒的時間內(nèi)成功制造出超過1立方厘米的功能性肝臟單元。這些肝臟單元能夠成功執(zhí)行關(guān)鍵的毒素清除過程，模擬人體肝臟的功能。