【导读】

干细胞衍生的类器官具有细胞自组装和多向分化特征，能在体外构建出仿生体内器官组织结构微结构和生物学功能的结构体。但类器官目前不能生长到厘米级以上，导致它们缺乏体内器官的大尺寸结构特征，难以实现更高级别的功能响应。生物3D打印技术能快速构建多层级大尺寸的含细胞的仿生组织，与类器官技术结合，有望构建出厘米级高度仿生的组织。2022年4月，乌得勒支大学的Riccardo Levato团队在 Advanced Materials 在线发表了题为"Volumetric Bioprinting of Organoids and Optically Tuned Hydrogels to Build Liver-Like Metabolic Biofactories"的研究论文，该研究是此期的封面文章（图1），它将肝脏类器官和体积生物3D打印技术相结合，在 20 秒内就可制造出复杂的厘米级3D肝脏模型，实现了人类肝脏关键功能的复刻。

图1. Advanced Materials封面文章

体积生物3D打印技术

基于光固化原理的体积式细胞打印（Volumetric Bioprinting）是近年来的新兴技术，由于其效率高、非接触和无喷头等特征受到关注。不同于当前主流生物打印工艺，该技术主要是将一系列2D光图案投射到一个圆柱形容器中，该容器充满了负载细胞（或类器官）的光响应水凝胶，投射的光图案触发聚合反应，制造出大型3D组织。

图2. 体积生物打印技术

肝脏类器官

肝脏类器官是体外模拟肝脏功能的三维模型，主要经历干细胞分化、扩增和细胞自组装等阶段（图3）。肝脏类器官具有肝脏的主要结构和生理特征，可提供一个与体内环境相似的体外系统，是研究肝脏发育和再生、解毒和代谢、肝病发病机理、和成体干细胞生物学相关问题的技术平台。

图3. 肝脏类器官形成过程

体外代谢工厂

在这项工作中，体积生物3D打印技术首次与肝脏类器官为代表的组织器官元件相结合。Riccardo Levato团队以肝祖细胞为种子细胞，使用动态旋转瓶培养系统制造出了大量与体积生物打印技术适配的肝脏类器官。而后，以肝脏类器官为单元，采用体积生物打印技术在不到 20 秒的时间内打印出了高分辨的、体积达 4.14cm3 的大尺寸“肝脏代谢工厂”，如图4所示。

图4. “肝脏代谢工厂”打印构建过程

体积生物打印的分辨率取决于光在材料中折射路径，因此通常只能在高度透明的材料中实现精确图案化。高浓度的细胞悬液或体积较大的类器官会造成光散射，是体积生物打印与类器官技术结合的一大难题。为了解决这项难题，研究团队开发了一种新的材料配方，使用医学中常用的生物友好型化合物碘克沙醇作为造影剂，使肝脏类器官变得“透明”，这使得即使在细胞密度高的情况下也能实现高分辨率和高保真度的打印效果（图5）。

图5. 添加碘克沙醇的生物树脂光学调谐特性增强打印分辨率

通过打印工艺优化，研究团队在不到 20 秒的时间内成功制造了厘米级的功能性肝脏模型。相比于整体铸模等技术，体积生物3D打印快速的制造速度提高了肝脏类器官单元的存活率。另外，肝脏模型的宏观结构被设计成不同程度的孔隙网络曲折度的晶格，并在灌注条件下培养，这些晶格结构充当代谢通道，提高了肝脏模型摄取营养、排出代谢废物的能力（图6）。

图6. 打印后的肝脏类器官活性保持良好

打印技术提供的跨尺度的多孔结构便于营养物质输入和代谢废物排出，一定程度取代血管的作用。通过生物学检验，发现相较于肝脏类器官单元及铸模制造的肝脏模型，打印的肝脏模型代谢解毒能力得到了提高，显示出白蛋白合成、肝脏特异性酶活性提高和更显著的极化能力（图7）。

图7. 打印后的肝脏类器官功能增强

在确认体积生物3D打印结构为肝类器官分化成熟提供了合适的环境后，研究团队比较了不同动态灌注培养条件对“肝脏代谢工厂”生理功能的调节规律。基于从数学定义的三重周期最小表面结构池中选择的一系列具有卷积孔隙分布的结构：Schwarz D、Schwarz G 和 Schwarz P，进行荧光微球恒定流量灌注实验，流动剖面图显示Schwarz P晶格流速最平缓，生物学检测也显示该结构具有更好的白蛋白分泌水平和酶活性（图8）。

图8.不同数学衍生晶格结构调节“肝脏代谢工厂”的生理功能

展望

随着类器官与生物3D打印技术的发展，可以预见，两项技术深度结合是未来的必然趋势。基于组织器官元件的3D打印技术，为复杂可控的异质细胞结构再现、响应性生物墨水的稳定精准打印和大尺寸多层级复杂器官模型的稳定批量构建提供了可能，加速了体外工程化模型在药物测试、再生医学、精准医疗和疾病发生发展机制研究等领域的应用。