维克森林的3D打印肝组织被运往太空进行研究

2024年8月3日，南极熊获悉，诺斯罗普·格鲁曼（Northrop Grumman）公司的第21次补给任务（NG-21）将向国际空间站（ISS）发射3D打印的肝脏组织，以研究其在微重力环境下的行为和功能。该研究由再生医学先驱Anthony Atala和生物打印专家James Yoo领导，他们所在的维克森林再生医学研究所（WFIRM）团队将确定太空的独特条件是否有助于这些复杂组织的生长和发育。



NG-21任务将向国际空间站运送920公斤的科学实验品和补给。这项由NASA、国际空间站国家实验室和Redwire公司（太空3D打印的先驱）支持的3D打印肝脏组织项目，将评估微重力如何影响血管化肝脏组织的形成和维持。


△ 美国宇航局血管组织挑战赛的第一名获胜者温斯顿团队使用一个腔室来容纳打印的组织并测试灌注

Anthony Atala在ISS网络研讨会上表示，该项目建立在2016年启动的NASA血管组织挑战赛的成功之上。这一竞赛要求科学家们创造厚度足够、血管化的组织，能够在体外至少存活30天。比赛于2021年结束，来自维克森林的两个团队胜出，第一个获胜团队获得了30万美元的奖金以及在ISS上进一步开展研究的机会。


△  A）生物打印的血管化结构，具有由互连通道组成的陀螺体设计 B）生物打印的人肝组织结构 C）含有组织结构的流通室连接到灌注系统

为什么选择肝脏？


△  设计陀螺结构

肝脏是一个特别难复制的器官，因其体积大、结构复杂且血管网络密集。为解决这些难题，WFIRM的团队利用数字光投影（DLP）打印机创建了3D打印的组织块，以模仿肝脏的自然架构。通过这项技术复制了肝脏组织的gyroid结构，允许包含功能性血管通道。随后，这些结构被接种细胞，以实现长期功能，使组织能够自我维持较长的时间。

Anthony Atala表示，一旦3D打印的肝脏组织结构进入太空，他们期待了解这些组织在微重力环境中的表现。微重力可能会促进大型生物打印组织和器官的发展与成熟，而这些在地球上由于血管化问题而难以维持。研究人员将有机会在微重力下研究组织结构，这可能导致细胞形状、大小、体积及粘附属性的变化。

进入太空



△  多用途 Variable-g 平台 （MVP） 设施可容纳多达 12 个科学模块

名为“零重力下血管化肝脏组织构建的成熟”（MVP Cell-07）的实验包括12个实验模块，每个模块包含三个组织样本。这些模块是特制容器，配备有营养供给、温度控制和废物移除系统，确保实验期间组织样本保持活性。它们将在轨道上的MVP设施中进行环境控制。该MVP设施由Techshot开发（现隶属于Redwire），于2018年4月通过SpaceX CRS-14前往ISS，用于执行各种研究项目，包括涉及人造重力和多种样本类型的环境控制。

● 实验开始时，模块将从带电载体中取出并打开，以便宇航员安装新鲜的介质袋。当模块置于MVP设施中并启动自动泵定时后，36个组织样本将在十天内进行处理。
● 第十天，12个实验模块将从MVP设施中移出进行宇航员操作。四个模块中的生物室将被取出、固定并放入冷储藏。还将从每个组织样本收集的介质中取样。然后，剩余八个模块中的介质袋将被更换，然后再装入MVP设施。
● 第二十天，再移出四个生物室，固定并储存在冷处。在剩余四个模块中收集介质样本，并替换新的介质袋。
● 第三十天，最后四个生物室将被移出、固定并储存。这一过程将展示组织在微重力环境中不同时间点的发展。


△  在其动力载体中配置了六个模块，用于上升。载体在冷袋中发射时有助于将培养基灌注到组织中，从而保持约 37°C 以进行 MVP Cell-07 研究

在太空中进行这项实验提供了独特的优势。在地球上，重力会导致打印组织内的细胞分布不均。然而，在ISS的微重力环境下，细胞可以更均匀地分布，可能促进更好的组织形成。

Anthony Atala表示，此次研究的主要目标是理解微重力如何影响功能性组织的发展与维护。这次实验将提供宝贵的信息，了解含血管的生物打印组织在微重力下的行为，以及毛细血管状血管是否能在工程组织中发展出来。


△  多用途 Variable-g 平台 （MVP） 电池实验模块。12 个模块运行，每个模块包含用于 MVP Cell-07 研究的三个样本条件

团队在不同的阶段（10天、20天和30天）分析肝脏组织，关注基因组、转录组、蛋白质组和代谢组水平。这些分析将帮助研究者理解微重力如何在多个生物学层面影响肝脏组织，从基因表达到蛋白质生产及代谢变化，为了解太空条件如何改善组织工程技术提供了见解，实验结果可能对未来的太空组织工程、地球上的患者治疗改进以及保障未来长期太空任务中宇航员的健康产生深远的影响。


△  多用途 Variable-g 平台 （MVP） 可以在两种不同的重力条件下运行，范围从微重力到 2g

研究意义

Anthony Atala表示，“构建组织和器官的能力是领域内的一项重大突破，WFIRM有一个优秀的团队将这项技术从实验室带到病床边。而太空将帮助团队在地球上更好地制造组织，这有助于降低成本、扩大技术规模并加速这些技术在地球乃至太空的应用。”


△  3D打印组织

几十年来，Anthony Atala和James Yoo在WFIRM的3D打印组织和器官方面取得了显著进展。他们利用生物3D打印技术成功制造了不同的组织，包括血管、心脏瓣膜甚至微型器官。一个杰出的成就是开发了实验室培育的膀胱，已成功植入患者体内。他们的工作旨在减少对捐赠器官的依赖，通过在实验室创造功能性的可移植组织和器官，推动再生医学和生物打印的发展。