基于人誘導多能干細胞來源心肌細胞的功能性心肌組織直接3D打印構建
時間：2023-11-02 09:33 來源：生物打印與再生工程 作者：admin 閱讀：次
生物制造的一個目標是通過設計組織、器官或它們的一部分來研究或治療治療方法有限的疾病，如終末期器官衰竭。但是當前傳統生物制造方法具有細胞難定殖，不能生成有層次的結構等局限性。鑒于目前生物制造的局限性，特別是在心臟組織工程領域，需要開發一種方法，利用生物3D打印將人體誘導多功能干細胞衍生的心肌細胞（hiPSC-CMs）直接打印到功能性心臟組織中。然而，直接打印活細胞已被證明是困難的。
來自德國埃爾朗根大學的T.U. Esser團隊于2023年9月在ADVANCED MATERIALS發表了一篇名為《Direct 3D-Bioprinting of hiPSC-derived Cardiomyocytes to Generate Functional Cardiac Tissues》的文章，文中提出了一種直接3D生物打印人類誘導多能干細胞(hiPSC)來源的心肌細胞的方法——在膠原透明質酸墨水中，以準確和可重復的方式打印厘米大小的功能性環形和心室形狀的心臟組織。打印的組織含有hiPSC衍生的心肌細胞，具有組織良好的肌體，并表現出自發和規律的，持久的收縮，而且能夠抵抗被動受力。打印心臟組織的跳動頻率可以通過藥物刺激來調節。這種方法為產生復雜的功能心臟組織提供了新的可能性：可以用于制造高級藥物篩選的模型，也可以用于器官修復或替換的組織移植。
實驗結果與討論
一、懸浮支撐浴的制備
凝膠內懸浮打印需要一個支撐浴。支撐浴一方面提供足夠的穩定性來保持打印液體墨水的形狀，另一方面能夠使打印噴嘴通過。為了將hiPSC衍生的心肌細胞(hiPSC-CMs)打印成復雜的形狀，該團隊開發了一種簡單的三步雙組分方案，通過復雜凝聚生產明膠/阿拉伯膠微粒。微顆粒以圓形為主，(直徑69±27 μm，圖1b,c)。通過離心壓實后，微粒形成了具有自愈特性的支撐浴，允許打印噴嘴自由通過。即使容器被倒置，打印到支撐浴中的食用染料也能保持在原位(圖1d)。
在測試頻率范圍內，支撐浴顯示出固體狀行為以及剪切稀化行為(圖1f)。此外，在交替剪切速率下，支撐浴表現出近乎瞬時和完全的恢復行為(圖1g)。
二、膠原蛋白/透明質酸生物墨水能夠精確和重現復雜結構的打印
為了評估膠原蛋白在上述支撐浴中的可打印性，該團隊用不同濃度的膠原墨水打印脫細胞環狀結構(圖2a)。此外，透明質酸(HA)（一種糖胺聚糖），被添加到膠原蛋白中，以改善生物墨水的可打印性。為了評估印刷環的均勻性和印刷過程的再現性，用多個印刷環的圖像生成重疊圖(圖2a)。
隨著膠原蛋白含量的增加，重疊圖顯示出更均勻的印刷環，邊界更光滑，其中用4.0mg/ml膠原蛋白原液制成的油墨可重復性更好(圖2a)。HA明顯改善了≥2.0 mg/ml膠原打印環的均勻性 (圖2b)。隨著膠原和透明質酸濃度的增加，強度譜顯示出更小的差異。該團隊最終選擇了由3.0 mg/ml膠原- i和3.0 mg/ml HA (CollHA3-3)組成的生物鏈進行進一步的研究，因為其在實際測試中，提供了最高的再現性以及對擠出速度的最佳控制，且打印出的環的壁厚較薄。
為了檢驗打印過程的準確性，該團隊打印了不同的幾何形狀(環形、網格和星形)。打印結構具有明確的尖銳邊緣，可以準確地再現底層3D模型(圖2c)。交替使用對比劑和不使用對比劑(同心圓或堆疊矩形)打印CollHA3-3，可以得到連續穩定的結構，表明兩種油墨在跨層融合(圖2d)。
來自德國埃爾朗根大學的T.U. Esser團隊于2023年9月在ADVANCED MATERIALS發表了一篇名為《Direct 3D-Bioprinting of hiPSC-derived Cardiomyocytes to Generate Functional Cardiac Tissues》的文章，文中提出了一種直接3D生物打印人類誘導多能干細胞(hiPSC)來源的心肌細胞的方法——在膠原透明質酸墨水中，以準確和可重復的方式打印厘米大小的功能性環形和心室形狀的心臟組織。打印的組織含有hiPSC衍生的心肌細胞，具有組織良好的肌體，并表現出自發和規律的，持久的收縮，而且能夠抵抗被動受力。打印心臟組織的跳動頻率可以通過藥物刺激來調節。這種方法為產生復雜的功能心臟組織提供了新的可能性：可以用于制造高級藥物篩選的模型，也可以用于器官修復或替換的組織移植。
實驗結果與討論
一、懸浮支撐浴的制備
凝膠內懸浮打印需要一個支撐浴。支撐浴一方面提供足夠的穩定性來保持打印液體墨水的形狀，另一方面能夠使打印噴嘴通過。為了將hiPSC衍生的心肌細胞(hiPSC-CMs)打印成復雜的形狀，該團隊開發了一種簡單的三步雙組分方案，通過復雜凝聚生產明膠/阿拉伯膠微粒。微顆粒以圓形為主，(直徑69±27 μm，圖1b,c)。通過離心壓實后，微粒形成了具有自愈特性的支撐浴，允許打印噴嘴自由通過。即使容器被倒置，打印到支撐浴中的食用染料也能保持在原位(圖1d)。
在測試頻率范圍內，支撐浴顯示出固體狀行為以及剪切稀化行為(圖1f)。此外，在交替剪切速率下，支撐浴表現出近乎瞬時和完全的恢復行為(圖1g)。
圖1 壓實后的微顆粒表現出剪切變薄和自愈的特性
二、膠原蛋白/透明質酸生物墨水能夠精確和重現復雜結構的打印
為了評估膠原蛋白在上述支撐浴中的可打印性，該團隊用不同濃度的膠原墨水打印脫細胞環狀結構(圖2a)。此外，透明質酸(HA)（一種糖胺聚糖），被添加到膠原蛋白中，以改善生物墨水的可打印性。為了評估印刷環的均勻性和印刷過程的再現性，用多個印刷環的圖像生成重疊圖(圖2a)。
隨著膠原蛋白含量的增加，重疊圖顯示出更均勻的印刷環，邊界更光滑，其中用4.0mg/ml膠原蛋白原液制成的油墨可重復性更好(圖2a)。HA明顯改善了≥2.0 mg/ml膠原打印環的均勻性 (圖2b)。隨著膠原和透明質酸濃度的增加，強度譜顯示出更小的差異。該團隊最終選擇了由3.0 mg/ml膠原- i和3.0 mg/ml HA (CollHA3-3)組成的生物鏈進行進一步的研究，因為其在實際測試中，提供了最高的再現性以及對擠出速度的最佳控制，且打印出的環的壁厚較薄。
為了檢驗打印過程的準確性，該團隊打印了不同的幾何形狀(環形、網格和星形)。打印結構具有明確的尖銳邊緣，可以準確地再現底層3D模型(圖2c)。交替使用對比劑和不使用對比劑(同心圓或堆疊矩形)打印CollHA3-3，可以得到連續穩定的結構，表明兩種油墨在跨層融合(圖2d)。
圖2 膠原蛋白/透明質酸油墨使打印結構穩定
(責任編輯：admin)
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