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3D生物印制藻类可被利用为工程化血管化组织中人类细胞的可持续氧气来源

研究人员在11月18日的《物质》杂志上报告说,3-D生物印制藻类可被利用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作用藻类与人类肝脏来源的细胞一起嵌入3D水凝胶基质中,以创建类似于小叶的蜂窝状组织,其小叶类似于人类的肝脏。研究人员说,将来,这种环保,经济高效的3D生物打印方法可能在疾病建模,药物开发,再生和个性化医学甚至食品工程等应用中具有潜力。

资深研究作者Y. Shrike Zhang(哈佛大学医学院和布里格姆妇女医院的生物工程师)说:“这项研究是共生组织工程学中第一个真正的例子,它使用3D生物打印以生理学上有意义的方式将植物细胞和人细胞结合在一起。” 。“我们的研究提供了一个独特的例子,说明我们如何利用自然界中常见的共生策略来增强我们对人体功能组织进行工程改造的能力。”

为了代替器官功能以恢复器官功能,对人造组织的需求不断增长,并且在过去的十年中,3-D生物打印技术已被用于制造用于生物医学和组织工程应用的组织支架。该方法通常涉及将生物墨水沉积到表面上,以产生具有所需结构和形状的3-D结构,以概括包括血管的器官和组织,这在整个身体中输送氧气和营养物质方面起着关键作用。生物墨水本质上是一种含有活细胞,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,并支持嵌入式细胞的生长。

尽管在3-D组织的制造方面取得了进步,但主要的限制一直是在整个工程组织中维持足够的氧气水平,以促进细胞存活,生长和功能。研究人员试图通过掺入释放氧气的生物材料来解决这个问题,但是这些材料通常不能长时间工作,并且有时对细胞有毒,因为它们会产生诸如过氧化氢或其他活性氧物种的分子。张说:“迫切需要一种能够从工程组织内部持续释放氧气的方法。”

为了满足这一需求,Zhang和他的同事们开发了一种基于藻类的3D生物打印方法,将血管模式纳入工程组织内,并为组织中的人类细胞提供可持续的氧气来源。具体来说,他们使用了光合作用的单细胞绿藻,称为莱茵衣藻。这种共生策略也有益于藻类,藻类的生长部分受周围人细胞释放的二氧化碳的支持。

第一步涉及到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。将生物墨水装载到装有针头的注射器中,并使用生物打印机进行挤出生物打印。

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都嵌入了3D水凝胶基质中。生物印制的莱茵衣藻以光合作用的方式释放氧气,增强了人类细胞的活力和功能,人类细胞生长到高密度并产生肝脏特异性蛋白。张说:“工程化的血管化人体组织中的高细胞密度以前很难获得。”

最后,研究人员使用酶纤维素酶降解了纤维素基生物墨水,然后用人类血管细胞填充了留下的空心微通道,从而在肝样组织中创建了血管网络。张说:“这种逃逸的生物墨水的开发允许在单个组织构建体中进行初始的氧合和随后的血管形成,目前尚未见报道。” “这是成功完成有活力和功能性组织工程的关键一步。”

最后,3D血管化,氧化的工程组织具有未来植入的潜力,可实现人体组织再生。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,还可以用于个性化药物。

3-D生物打印技术的另一个潜在应用是食品工程。微藻代表蛋白质,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的丰富来源。这些生物活性化合物可以掺入创新的培养食品中,以提高其营养价值并促进健康。

但是与此同时,需要更多的精力来优化该方法。例如,可以改进培养基以促进莱茵衣藻和人细胞的生长,并且可以调节光照条件以优化来自藻类的氧气供应。而且,对藻类的生物安全性,毒性和免疫相容性的详细研究对于将来的临床翻译将是重要的。张说:“这项技术不能立即用于人类。” “这仍然是概念验证,需要大量后续研究来翻译。”

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