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导言: 广化生物印记组织的承诺
生物印表通过制造三维结构,使组织工程发生了转变,这些结构紧密地复制了人类组织的结构与功能。 但是,如果没有功能性的血管网络——血管、动脉和血管——所构建的组织仍然局限于薄薄的血管层,这些血管层很快会屈从于缺氧和坏死。 生物印表血管化组织模型的能力已成为一个重要的里程碑,在药物开发、疾病模型制作以及最终器官再生方面释放出新的可能性。 文章探讨了创造血管化组织的生物印表状况、克服的技术障碍以及这一技术的前途。
什么是生物印记?
生物印记是一种添加剂制造过程,将活细胞、生物材料和生长因素储存在精确的空间安排中,以构建组织状的结构。 与使用塑料或金属的常规3D印刷不同,生物印记使用[生物汇 —— 含有活性细胞悬浮在水凝胶、细胞外基质成分或其他生物兼容材料中的显影配体。 打印机可以逐层推导、喷射或激光传输这些生物汇层,使研究人员能够形成细胞密度接近自然组织的复杂形状。
存在几种生物印记方式:
- ] 外延基生物印[:连续丝状沉积,适合高细胞密度和大构造.
- Ikjet bioprinting:以滴为基,使高分辨率但长打印时间的细胞可行性较低.
- 拉塞尔辅助生物印[:使用激光脉冲从捐献丝带中转移细胞,提供微量精度.
- 石器石刻基于生物印:生物汇层的光聚逐层,对于复杂的建筑来说是理想的.
每一种技术在分辨率、吞吐量和细胞兼容性方面都有权衡,但都有助于实现构筑功能组织的总目标。
瓦斯化的关键挑战
自然组织依赖广泛的毛细管网络在清除代谢废物的同时提供氧气和营养,在工程组织中,缺乏这种网络会导致大约100至200微米的传播极限,而核心细胞则会死亡,这种 " 血管化问题 " 历来阻止了形成用于临床的厚厚的、代谢活性组织结构。
早期的血管化脚手架尝试包括将内皮细胞种子到预先形成的通道上或通过生长因子释放诱导血管化。 然而,这些方法往往产生不规则的,渗透不良的网络。 生物印表提供了一种更受控制的方法:它可以直接将内皮细胞和辅助细胞(如皮层细胞,平滑肌肉细胞)形成预先定义的几何体,从而产生模仿自然分支模式的层次性血管树.
用于扫描的关键生物印记技术
祭祀生物汇合物
其中一项最成功的策略是使用 圣体材料作为血管通道的临时模板。在构造被交叉连接和稳定后,将圣体墨水(例如溶解、加热或酶消化)去除,留下可渗透的空心管。常用的圣体墨水包括Pluronic F 127、Gelatin和碳水化合物玻璃。 这种方法被用于在心脏、肝脏和肾组织模型中创建专利血管网络。
直接的轴突
共轴喷嘴可以同时挤压一个核心生物汇(含内皮细胞)和一个壳生物汇(支持基质),随着构造的印刷,核心材料可以选择性地交叉或去除,从而产生一个类似内皮细胞的通道。这一技术可以产生能够承受生理流量的专利微流体。
多喷嘴和微流体生物印记
现代的生物打印器,配备多个打印头,可以将不同的细胞类型和材料存放在单个的会话中。 例如,一个喷嘴可以用肝细胞打印一个大块组织,另一个则打印一个血管网络,内皮细胞和光滑肌肉细胞。 微流体打印头可以进一步实时混合生物汇,形成发育因子或细胞外基质成分的梯度,引导船只成熟。
在西图生物印记
对于再生应用,将原位生物印表细胞和生物材料直接输入缺陷地点. 当与血管成像(例如来自CT血管造影)结合时,打印机可以设置一个患者的XX特异性血管模板,在植入后与宿主循环融合,这种方法仍然具有实验性,但有望进行重建手术.
用于宽聚式构造的材料和生物盒
生物融合的选择对于实现打印和血管功能都至关重要。理想生物融合应支持细胞生存能力,允许适当的交叉连接,并能够以与组织改造相匹配的速度降解。 常见的生物融合成分包括:
- Gelatin methacrylate(GelMA):一种光谱可互联的胶原衍生物,支持内皮细胞粘合和扩散.
- 熔化:一种离子交叉连接的多沙克化物,能提供快速的凝胶和高的打印性,经常与其他材料混合,以提高细胞兼容性.
- 氢酸[:一种原生细胞外基质成分,促进血管生长,形成水合微环境.
- Fibrin:血栓介质聚合后形成的天然基质,由于其亲阳性而常见于血管化组织模型中.
- 细胞外减化基质[dECM]:来自原生组织,dECM生物汇保持支持船只形成和组织特定区别的生化提示.
生物结合中使用的内皮细胞可能来自人类脐带静脉内皮细胞(HUVECs),诱导的多力干细胞 → 衍生内皮细胞,或微血管内皮细胞. 支持的细胞类型如过敏细胞或中枢干细胞常被共分泌,以稳定新生的血管,促进成熟.
万象生物印表模型的应用
药物发现和毒理学
与传统的2D培养基相比,血管变异组织模型为药物测试提供了更具生理相关性的平台。 药物必须跨越内皮屏障才能到达目标组织,而存在可渗透血管网络可以让研究人员在动态环境中研究迁移、代谢和毒性。 例如,具有综合鼻索性结构的生物印肝模型被用来预测药物的诱发肝损伤比静态的血球培养基更准确。
疾病模型
肿瘤的微环境已经用癌细胞、内皮细胞和免疫细胞来研究血管、元质和抗血管病疗法。 同样,糖尿病伤口愈合的血管化模型使研究人员能够检查受损的血管形成和测试亲血管病治疗。
生殖医学
最终的雄心是产生可植入的血管化组织和器官。 生物印表的血管化骨骼、皮肤代用品和心肌补丁已经在临床前动物模型中进行了测试。 比如,含有冠状血管网络的生物印表心脏补丁在植入受精的老鼠心脏时改善了生存和功能。 人类器官的扩大仍然面临挑战,但进展是迅速的。
当前的限制和未来方向
尽管取得了令人印象深刻的进展,但在血管化生物印表组织成为常规临床工具之前,必须克服若干障碍:
- 决议对称 : 打印毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛
- 长期稳定性:生物印表器在培养后数周往往会因酶降解,细胞收缩,或缺乏适当的机械提示而失去完整性.
- 与宿主蒸发[ 融合:植入后,印刷网络必须用病人的循环进行安眠,以便实现快速的输液——这个过程是无法预测的,而且常常是不完整的。
- 标准化和监管审批[:生物汇合成分,印刷参数,质量控制差异很大,妨碍翻译到临床试验.
新出现的解决方案包括使用先进光聚化战略,这些战略可以实现分解10微米,在空间控制的梯度中融入的长源因子[,以及开发自组织生物汇[,使内皮细胞在打印后自发形成毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细毛细
展望未来,生物印记与有机物(Organióna)芯片技术的融合可能会产生一些小型血管化人体组织模型,可用于高通量筛选。 与此同时,生物印记一个功能充分、可移植的人体器官的梦想 — — 完成一个等级分级的图案 — — 不再是科幻,而是全球实验室积极追求的长期目标。
结论
通过生物印记创造血管化组织模型的能力代表了组织工程的范式转变。 通过超越简单的血管构造,研究人员现在可以构建出更像原生器官生存、功能和行为的组织。 从药物测试到再生植入,应用范围是巨大的。 生物融合配方、印刷分辨率和输液培养方面的持续创新对于实现这一转化技术的全部潜力至关重要。 随着野外成熟,血管化生物印记组织无疑将成为生物医学研究和临床疗法的基石。