3D生物打印藻类可用作工程血管化组织中人类细胞的可持续氧源

研究人员在11月18日出版的《物质》杂志上报道，三维生物打印藻类可用作工程血管化组织中人类细胞的可持续氧源。他们将生物打印的光合藻类与来自人类肝脏的细胞嵌入3D水凝胶基质中，以创建类似小叶的蜂窝状组织，类似人类肝脏。研究人员表示，在未来，这种环保、高性价比的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(哈佛医学院和布里格姆女子医院的生物工程师)说：“这项研究是共生组织工程中的第一个真正的例子，它使用3D生物打印，以一种生理学上有意义的方式将植物细胞和人类细胞结合起来。”。“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改造人类功能组织的能力。”

为了替代器官功能，恢复器官功能，对人工组织的需求越来越大，在过去的十年中，三维生物打印技术被用于制造生物医学和组织工程应用的组织支架。该方法通常包括在表面沉积生物墨水，以产生具有所需结构和形状的三维结构，从而概括包括血管在内的器官和组织，血管在将氧气和营养物质输送到全身方面起着关键作用。Bioink本质上是一种含有活细胞、生物材料和其他生长补充剂的水凝胶。它模拟所需组织的细胞外基质，支持包埋细胞的生长。

尽管三维组织的制造已经取得了进展，但主要的限制是在整个工程组织中保持足够的氧气水平，以促进细胞的存活、生长和功能。研究人员试图通过混合释放氧气的生物材料来解决这个问题，但这些材料通常不能长时间工作，有时对细胞有毒，因为它们会产生过氧化氢或其他活性氧等分子。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，张和他的同事开发了一种基于藻类的3D生物打印方法，该方法将血管模型结合到工程组织中，并为组织中的人类细胞提供了可持续的氧源。具体来说，他们使用了被称为莱茵衣藻的光合单细胞绿藻。这种共生策略对藻类也有好处，藻类的生长部分是由周围人体细胞释放的二氧化碳支撑的。

第一步涉及3D生物打印藻类。研究人员将莱茵石藻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。生物墨水用针头装入注射器，生物打印机用于挤压生物打印。

接下来，研究人员将生物打印的藻类和人体肝脏细胞嵌入三维水凝胶基质中。生物打印莱茵衣藻通过光合作用释放氧气，增强人体细胞的活力和功能。人类细胞生长到高密度并产生肝脏特异性蛋白质。张说：“以前很难在工程血管化的人体组织中获得高细胞密度。”

最后，研究人员利用纤维素酶降解基于纤维素的生物墨水，然后用人体血管细胞填充左侧中空微通道，从而在类肝组织中形成血管网。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氧化和随后的血管生成，这还没有报道。”"这是成功完成动态和功能性组织工程的关键一步."

最后，三维血管化氧化工程组织具有未来植入的潜力，可以实现人体组织再生。如果使用患者特异性细胞，这些组织还可用于药物筛选和开发、疾病机制研究和个性化药物。

三维生物打印技术的另一个潜在应用是食品工程。它代表了微藻蛋白质、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混合到创新的养殖食品中，以提高其营养价值，促进健康。

但与此同时，还需要更多的努力来优化这种方法。例如，可以改进培养基以促进莱茵衣藻和人类细胞的生长，并且可以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将对未来的临床翻译具有重要意义。张说：“这项技术不能马上用于人类。”“这还是概念的证明，需要大量的后续研究来翻译。”

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