生物打印水凝膠類器官，指導(dǎo)組織規(guī)模的自組織

【資料簡(jiǎn)介】

 

近日，美國(guó)加州大學(xué)舊金山分校Zev J. Gartner教授團(tuán)隊(duì)上發(fā)表Guiding tissue-scale self-organization一文。該文觀點(diǎn)評(píng)論解析如下：

要點(diǎn)：一種生物打印方法，利用形成類器官的干細(xì)胞作為水凝膠中的活潑墨水，可指導(dǎo)組織規(guī)模的自組織產(chǎn)生更現(xiàn)實(shí)的胃腸道和血管組織構(gòu)造。

類器官是盤中的微型干細(xì)胞衍生組織，通過自組織形成體內(nèi)類似的細(xì)顆粒組織結(jié)構(gòu)和細(xì)胞異質(zhì)性。這些功能為發(fā)展和疾病進(jìn)展的機(jī)制提供了新的見識(shí)。然而，類器官不能概括在體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的許多粗粒度的結(jié)構(gòu)特征，這些特征的長(zhǎng)度范圍從幾百微米到幾厘米。這自然導(dǎo)致了一個(gè)問題，即要使類器官模型的應(yīng)用擴(kuò)展到組織的這些更大范圍的特征，必須進(jìn)行哪些開發(fā)。為了回答這個(gè)問題，Matthias Lutolf及其同事報(bào)告了一種簡(jiǎn)單易用的生物打印的方法，該方法使用形成類器官的細(xì)胞墨水。他們的方法為將生物打印機(jī)提供的粗粒度結(jié)構(gòu)控制與類器官自組織產(chǎn)生的細(xì)粒度結(jié)構(gòu)控制相結(jié)合奠定了基礎(chǔ)(doi.org/10.1038/s41563-020-00803-5)。

類器官作為基礎(chǔ)研究，再生醫(yī)學(xué)和疾病建模工具的承諾源自其自組織過程中自發(fā)產(chǎn)生的復(fù)雜組織結(jié)構(gòu)。但是，允許組織自組織而不受周圍胚胎提供的約束的結(jié)果是，組織通常以意想不到的或不受控制的方式形成。在三維細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)水凝膠(例如重構(gòu)的基底膜Matrigel)中培養(yǎng)類器官，為類器官的自組織提供了許多重要的機(jī)械和生物學(xué)線索。然而，所得的類器官可以采用由隨機(jī)過程以及微環(huán)境和細(xì)胞異質(zhì)性引起的各種尺寸，形狀和細(xì)胞類型組成。此外，許多器官在跨越數(shù)百微米到厘米的長(zhǎng)度尺度上顯示出復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。自組織的這些特征是由于空間附近的細(xì)胞之間的相互作用(如當(dāng)前的類器官培養(yǎng)物中發(fā)生的)以及類器官培養(yǎng)物中缺少的來自周圍胚胎組織的提示而產(chǎn)生的。通過將類器官植入到活體動(dòng)物中來重新引入這種線索已被用于促進(jìn)大規(guī)模組織結(jié)構(gòu)的發(fā)展。然而，這些過程在類器官培養(yǎng)中概括仍是挑戰(zhàn)。因此，人們非常有興趣采用多種組織工程學(xué)自上而下的工具(包括微圖案制作，生物打印和光刻等)來在時(shí)間和空間上排列其他組織類型，以更好地指導(dǎo)類器官的自組織。將自上而下的制造方法的優(yōu)勢(shì)與活細(xì)胞的自下而上的自組織能力相結(jié)合對(duì)于實(shí)現(xiàn)構(gòu)建更復(fù)雜和功能更強(qiáng)大的組織和器官的潛力至關(guān)重要。

在此概念驗(yàn)證中，Lutolf及其同事證明了在由和顯微鏡構(gòu)建的簡(jiǎn)單生物打印機(jī)擠出后，由解離的類器官祖細(xì)胞，間充質(zhì)細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞構(gòu)建的厘米級(jí)組織特征的生成(圖1a)。顯微鏡使用載物臺(tái)控件和實(shí)時(shí)視覺反饋提供精確的移動(dòng)和定位，從而使用戶可以通過肉眼微調(diào)擠壓參數(shù)。細(xì)胞在培養(yǎng)基中的致密懸浮液會(huì)在凝固前的幾分鐘內(nèi)直接印到液體ECM凝膠中。作者可以控制細(xì)胞密度，噴嘴大小和擠出速度，以調(diào)節(jié)組織的形態(tài)。打印的組織初是簡(jiǎn)單的線條和懸浮在ECM凝膠中的點(diǎn)，隨著它們的生長(zhǎng)會(huì)凝結(jié)成連續(xù)的組織，然后隨著它們開始自組織成類器官而形成微觀結(jié)構(gòu)(圖1b)。腸類器官和內(nèi)皮細(xì)胞均形成管腔，而腸類器官又沿管的外表面形成隱窩結(jié)構(gòu)，類似于散布在整個(gè)小腸中的隱窩。通過使用不同的細(xì)胞墨水順序使用此方法，還可以生成具有多種細(xì)胞類型的更復(fù)雜的組織。在一項(xiàng)特別引人注目的演示中，從腸和胃中分離出的*干細(xì)胞被組合在一起，形成了混合的胃和腸類器官，模仿了具有特定器官特征(如平滑的胃區(qū)和隱窩覆蓋的腸區(qū))的胃腸道。使用類似于近研究中發(fā)表的策略，作者還通過在特定位置擠出基質(zhì)細(xì)胞的液滴，將不同的細(xì)類型依次沉積到同一基質(zhì)中?；|(zhì)細(xì)胞的存在導(dǎo)致管腔直徑的增加，從而允許腸類器官的灌注。

該報(bào)告為類器官生物學(xué)家提供了一種新方法，該方法依賴于自動(dòng)化顯微鏡和，這在大多數(shù)現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室中都很容易獲得。此外，作者使用見的實(shí)驗(yàn)室基質(zhì)(I型膠原和Matrigel)驗(yàn)證了該方法。與以前的生物打印技術(shù)不同，該技術(shù)已經(jīng)將僅細(xì)胞生物墨水打印到水凝膠支持浴或合成水凝膠中，與標(biāo)準(zhǔn)ECM的兼容性允許從以前為其他類器官開發(fā)的優(yōu)化條件更輕松地過渡到此生物打印方式。研究其他類器官中的大規(guī)模形態(tài)發(fā)生和空間信號(hào)傳導(dǎo)將是一個(gè)令人興奮的下一步。然而，在生物打印機(jī)提供的額外限制下，是否需要額外的優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)類器官自組織的全部潛力還有待觀察。同樣，生物打印機(jī)如何才能有助于大腦，腎臟和乳腺類器官(尤其是其他器官)的形態(tài)受控，還有待進(jìn)一步研究。類似于使用微生理系統(tǒng)或單片器官的方法，將這些文化與灌注系統(tǒng)連接的標(biāo)準(zhǔn)化方法，例如同一研究小組近發(fā)布的可灌注類器官，也將是未來發(fā)展的重要領(lǐng)域。類器官生物學(xué)與組織工程學(xué)的不斷增長(zhǎng)的交集，繼續(xù)為研究，概括和控制器官發(fā)育的復(fù)雜特征提供了令人興奮的機(jī)會(huì)