哈佛医学院张宇《Science》：3D生物打印在再生医学中的应用前景

来源：高分子科学前沿

2024年8月8日，哈佛医学院张宇(Yu Shrike Zhang)教授与西班牙的Gorka Orive教授在《Science》上发表了一篇前瞻性论文，探讨了3D生物打印在再生医学中的应用前景。接下来，就让我们一起来深入了解这篇具有前瞻性的文章。

再生医学通过注射、移植或植入活细胞来促进治疗，如帮助伤口愈合。然而，如何有效将这些细胞输送到目标部位，并确保它们在体内存活和整合，是目前面临的主要挑战之一。为释放细胞疗法的潜力，开发和改进生物制造技术，生产高质量的细胞产品十分关键。传统的再生细胞疗法通常是将细胞悬浮在液体中，通过针头或导管直接注入目标部位。尽管方法简单，但临床效果往往不佳，部分原因是注射的细胞无法在目标部位存活。为此，能够更好保持细胞结构的较大模块成为一种有前途的替代方案。常见的载体包括可注射的水凝胶、微凝胶和装载细胞的多孔聚合物微球等结构化生物材料。

但这些方法面临着一些缺陷，比如细胞密度降低，或与原生组织的成分和结构不匹配。这些不足推动了无生物材料、细胞密集构建体的发展。例如，三维排列的细胞在一些临床前研究中表现出一定的成功。

然而，无论是采用富含生物材料还是不含生物材料的模块化构建体，它们在注射后几乎都是随机排列成不规则的结构。 这对于许多细胞治疗方案来说也许是可以接受的，但对于许多应用来说，缺乏细胞组织可能会被证明是不够的，因为在这些应用中，与治疗部位的原生几何形状相吻合是至关重要的。 例如，在皮肤损伤或肌肉缺失的情况下，必须与组织结构相匹配，以实现结构、功能和美学效果。

为了解决这些问题，科学家们开发了精确控制细胞和生物材料的生物制造方法，尤其是三维生物打印技术。这项技术可以生成与原生组织形态相似的结构。常用的模式包括挤压生物打印、喷墨生物打印和液相聚合生物打印，它们能够制作微观和宏观的细胞构建体，与目标组织的结构相似。

大多数生物打印依赖生物材料来形成组织结构，但现在，科学家们开始将生物打印与不含生物材料的细胞密集模块相结合。这种方法最初是通过将多细胞球体排列在图案针阵列上实现的，后来，研究人员使用吸气微喷嘴精确地叠加球体，形成复杂的三维图案。近期的进展使得这些无生物材料的细胞聚集体能够更精确地构建出与组织相关的图案，其分辨率和复杂性都更高。

例如，可以将仅由细胞组成的生物墨水通过生物打印喷嘴挤压成纯细胞结构，并将其引入支持性水凝胶中进行图案化。值得注意的是，将纯干细胞生物墨水与挤压生物打印技术结合，能够生成具有明确时空排列特征的器官。这些生物打印器官在体外表现出比传统球形类器官更好的一致性、分化效率和组织形成能力。

大多数人体器官的细胞密度非常高，每立方厘米含有数十亿个细胞。这种密集排列对于器官的复杂功能和结构完整性至关重要。例如，肝脏的细胞密集排列使其能够有效进行代谢和解毒；心脏的紧密细胞排列则确保了高效的导电性和收缩力，从而调节泵血。因此，通过生物打印模拟这些高细胞密度的组织，有望在移植后促进细胞间的相互作用、信号传递和组织整合，显著提升再生细胞疗法的效果。

目前，结合无生物材料且细胞密度高的生物墨水的生物打印，通常依赖于台式生物打印机。这意味着组织必须先在体外制造并成熟后，再进行移植。为此，原位生物打印技术应运而生，这种方法直接将生物墨水图案化到患者体内的目标部位，精确构建与实际组织相匹配的结构。这种技术不仅具有高度适应性，能减少污染风险和简化程序，还能提高细胞的活力、功能、组织整合性和美观性。它不仅适用于医院的伤口再生，还可在战场等紧急情况下快速应用。

原位生物打印包括多种方法。可以在手术中使用传统生物打印机直接应用，也可以将打印头微型化，安装在手持设备中，方便外科医生在治疗部位进行手绘。此外，还可以通过编程，利用机器人驱动的导管式生物打印机进行治疗性细胞生物墨水的精确输送。目前，部分方法的临床研究已在计划之中。（图1）

图1：各种原位生物打印方法和生物墨水

值得注意的是，之前的原位生物打印主要依赖富含细胞的生物材料生物墨水。不过，将具有类似于原生组织细胞密度的生物墨水与原位生物打印技术结合，可以显著提升打印效果。一些初步研究采用微凝胶作为构建模块，这些微凝胶中填充了高密度的细胞。通过预先培养，微凝胶形成了细胞密集的微型组织块，然后作为生物墨水装入原位生物打印机中。使用机械臂驱动的挤压打印法可以在体内修复大鼠的颅骨缺损，喷射式生物打印则能修复小鼠的肌肉和皮肤损伤。这些研究表明，按预定模式原位输送高细胞密度的微型组织块，比随机输送相同密度的微凝胶更有助于加快愈合。

展望未来

当原位生物打印技术开始使用不含生物材料的生物墨水时，再生医学的潜力将会得到更大释放。这是因为减少生物材料的使用，可以让打印出的高密度细胞通过组织成熟形成更强的细胞间相互作用，并产生类似于天然组织的细胞外基质（ECM），这是人工材料难以精确模拟的。此外，当干细胞在适当密度下进行原位生物打印，模仿早期发育阶段的组织结构时，将更有可能形成高功能的再生组织。

然而，将原位生物打印与无生物材料、细胞密集型的生物墨水相结合并非没有挑战。这种打印需要确保细胞模块与周围组织的微环境良好结合，同时保持模块内部的结构完整性。这可能需要额外的设计考量，例如加入生长因子以促进细胞间的互动，形成完整的组织块。虽然针头注射是微创的，但使用原位生物打印机可能会影响手术创伤的程度，这取决于具体方法。此外，原位生物打印必须根据不同组织的需求进行精确的结构设计，例如，肌肉需要单向排列，肝脏则需要重复的小叶单元。实现这种精确结构可能并不容易，可能需要改进设备，甚至引入人工智能驱动的算法。

另一个值得探索的领域是，在原位生物打印后，通过添加趋化因子、基因编辑工具或其他生物活性剂来定向修饰或分化细胞。这可以通过使用聚合物纳米颗粒、人工干细胞或细胞外囊泡来实现，控制药剂释放，同时减少外源生物材料的使用。由于这项技术仍处于早期阶段，在实际应用前需要进行广泛的临床前和临床研究，以解决潜在的挑战和安全问题。