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研究人员开发出新的方法来打印微小的功能器官

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EPFL的研究人员已经开发出一种方法来打印外观和功能几乎与它们的全尺寸同类产品相似的微小组织。微型组织的宽度只有几厘米,可以使科学家们以以前不可能的方式研究生物学过程,甚至测试新的治疗方法。

多年来,人们从干细胞中生长出了微型器官,如大脑,肾脏和肺脏(称为“类器官”)。有机体有望减少对动物测试的需求,并提供更好的模型来研究人体器官的形成方式以及该过程在疾病中如何发生。但是,传统的生长类器官的方法导致干细胞组装成微米至毫米大小的空心球。EPFL生物工程研究所教授MatthiasLütolf说:“这是非生理性的,因为许多器官(例如肠或气道)都是管状的,而且更大”,他领导了这项研究,该研究今天在《自然材料》上发表。

为了开发与正常人类似的更大的类动物,Lütolf和他的团队转向了生物打印。就像3D打印机允许人们创建日常物品一样,类似的技术也可以帮助生物工程师组装活体组织。但是,生物打印机代替了传统3D打印机中使用的塑料或粉末,而是使用生物墨水(包裹活细胞的液体或凝胶)。“生物打印技术非常引人注目,因为它使您可以将细胞沉积在3D空间中的任何位置,因此您可以考虑将细胞排列成类似器官的形状,例如管子,”Lütolf说。

研究人员设计了一个定制的生物打印装置,该装置由显微镜和可以通过与注射器泵相连的细喷嘴抽吸和沉积细胞的装置组成。在显微镜阶段,研究小组安装了一块含有凝胶的板,该凝胶类似于在许多组织中发现的复杂细胞外环境。吕托尔夫指出,这种类型的凝胶“非常有效地允许细胞形成组织,但是由于难以处理,人们尚未真正将其用于生物打印。”

通过移动显微镜载物台并通过显微镜镜头不断监测过程,研究人员能够在肠道凝胶中沉积一系列长度为几厘米的肠道干细胞。吕托尔夫说:“使用显微镜的妙处在于,您始终可以看到自己在做什么,并且可以观察到细胞在做什么,而不是盲目。” “在其他生物打印方法中,您看不到发生了什么。”

吕托尔夫说,一旦干细胞被植入,“神奇就发生了”:这些细胞开始生长并彼此相互作用,形成了一个连续的管状组织,模仿了正常肠道的许多解剖学和功能特征。实验室长出的肠子,大小可达三厘米,由带有干细胞的隐窝形口袋组成,它们含有与全肠相同的专门吸收和分泌细胞。小肠的分泌细胞还能够响应特定刺激而分泌抗微生物分子。

使这种新开发的方法与其他生长类器官的方法不同(更成功)的原因在于,它结合了3D打印的灵活性和精确性以及干细胞自身生长和组织的能力。吕托夫说:“我们允许生物学发生,这是至关重要的。”

通过从胃肠道对形成类器官的细胞进行生物打印,研究人员还产生了胃,小肠和结肠的部分,然后形成了相互连接的微型微型亲代器官。Lütolf指出,使用传统的类器官生长方法,“您可以生长胃类器官或肠类器官-而通过生物打印,您可以组合不同的细胞类型并以不同的方式排列它们,”他说。

吕托尔夫说,尽管微型器官可以发挥其正常器官的功能,但在再生医学中的用途,包括用于替代人体组织和器官的器官,仍遥遥无期。但他指出,新开发的方法可用于建立人类疾病(包括癌症)的组织模型,并用于测试候选药物如何作用于组织内特定细胞类型。

Lütolf的小组现在希望使用生物打印技术来构建呼吸道,以研究病毒感染,例如,感染导致COVID-19的SARS-CoV-2病毒。然后,受感染的微型航空公司可以帮助测试不同的治疗方法。吕托尔夫说:“最大的优势在于,借助显微镜,您可以观察感染的发展情况,从而可以量化和研究发生的情况。” “这是一个令人兴奋的观点。”

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