用于工程组织的3D生物打印藻类

3 d打印的藻类

这张图片显示了一个生物打印的类似小叶的图案，包含了藻类，在那里可以看到密密的被包裹的细胞。左边是光学显微照片，而右边是自动荧光显微照片。来源:张实验室-工程实验室

研究人员在《物质》(Matter)杂志上报告称，3D生物打印藻类可以作为工程化血管化组织中人类细胞的可持续氧气来源。他们将生物打印的光合藻类和人类肝脏来源的细胞嵌入3D水凝胶基质中，创造出类似于人类肝脏的带有小叶的蜂窝状组织。研究人员表示，在未来，这种环保、经济的3D生物打印方法可能在疾病建模、药物开发、再生和个性化医疗，甚至食品工程等领域具有应用潜力。

资深研究作者Y. Shrike Zhang (@shrikezhang)是哈佛医学院和布里格姆妇女医院的生物工程师，他说:“这项研究是第一个真正的利用3D生物打印技术，将植物细胞和人类细胞结合在一起的共生组织工程。”“我们的研究提供了一个独特的例子，我们如何利用共生策略，这在自然界中很常见，以促进我们的能力，工程功能性人体组织。”

人们对人工组织的需求日益增长，以取代那些已经受损的组织，以恢复器官功能。在过去的十年里，3D生物打印技术已经被用于制造组织支架用于生物医学和组织工程应用。这种方法通常是将生物墨水沉积在表面上，以产生所需的结构来再现器官和组织的3D结构。这种结构甚至包括血管系统，它在向全身运输氧气和营养方面起着至关重要的作用。生物墨水本质上是一种包含活细胞、生物材料和其他生长补品的水凝胶。它模仿所需组织的细胞外基质，并支持嵌套细胞的生长。

尽管3D组织的制造取得了进展，但主要的限制是在工程组织中保持足够的氧气水平。充足的氧气是促进细胞存活、生长和功能的必要条件。研究人员试图通过结合释氧生物材料来解决这个问题。不幸的是，这些细胞通常工作时间不够长，有时对细胞有毒。这是因为它们会产生诸如过氧化氢或其他活性氧的分子。张博士说:“目前迫切需要一种能让被改造组织持续释放氧气的方法。”

一种基于藻类的3D生物打印方法

为了满足这一需求，他和他的同事开发了一种基于藻类的3D生物打印方法，将血管模式整合到工程组织中。具体来说，他们使用了具有光合作用的单细胞绿藻莱茵衣藻。这种共生策略也有利于藻类，它们的生长部分依赖于周围人类细胞释放的二氧化碳。

第一步是用3D生物打印藻类。研究人员将莱茵衣藻C. reinhardtii封装在一种主要由纤维素组成的生物墨水中——纤维素是植物、藻类和真菌的主要结构成分。生物墨水被装入装有针头的注射器中，并用生物打印机进行挤压生物打印。

接下来，研究人员将生物打印的藻类和人类肝脏来源的细胞嵌入3D水凝胶基质中。生物打印的莱茵衣藻C. reinhardtii以光合作用的方式释放氧气，增强人类细胞的活力和功能，使其高密度生长并产生肝脏特异性蛋白。张博士说:“以前很难获得高细胞密度的经血管化的人体组织。”

最后，研究人员使用纤维素酶降解纤维素基生物墨水，然后用人类血管细胞填充留下的中空微通道，在类肝组织中创建血管网络。

张说:“这种可以在单个组织结构中进行初始氧化和随后形成血管的生物墨水的开发以前没有报道过。”“这是成功制造出有生命和功能的组织的关键一步。”

最后，3D血管化、充氧的工程组织具有未来植入实现人体组织再生的潜力。这些组织还可以用于药物筛选和开发，研究疾病机制，如果使用患者特异性细胞，还可能用于个性化治疗。

食品工程中的生物打印

3D生物打印技术的另一个潜在应用是食品工程。微藻富含蛋白质、碳水化合物、多不饱和脂肪酸、类胡萝卜素、维生素和必需矿物质。

这些生物活性化合物可纳入创新、培养食品，以提高其营养价值和促进健康。但与此同时，还需要更多的努力来优化该方法。例如，可以改进培养基以促进莱茵藻和人类细胞的生长，调节光照条件以优化藻类的氧气供应。此外，对藻类的生物安全性、毒性和免疫相容性的详细研究对今后的临床转化具有重要意义。“这项技术不能立即用于人类，”张博士说。“它仍然是概念验证，需要大量的后续研究来转化。”

这项工作得到了美国国立卫生研究院、美国国家科学基金会和新英格兰反活体解剖协会的支持。