《Advanced Materials》 | 3D打印血管化心脏组织

发布时间：2024-06-26 04:05:39来源：浏览量：

以色列特拉维夫大学舒穆尼斯生物医学与癌症研究中心Tal Dvir教授团队在《Advanced Materials》期刊上发表文章“Post-Maturation Reinforcement of 3D-Printed Vascularized Cardiac Tissues”，作者研究团队在这项研究中提出了一种以完全生物相容性的方式增强由分化的诱导多能干细胞（iPSC）和基于细胞外基质（ECM）的水凝胶制成的工程心脏组织的方法。增强是作为制造后步骤进行的，它允许使用3D打印技术来生成厚的，完全细胞化和血管化的心脏组织。在组织组装后和在软水凝胶中的成熟过程中，部署一种小型的组织穿透增强剂，从而显着提高组织的机械性能。通过在模拟微创程序中注射组织并显示组织在纳米、微观和宏观尺度上功能正常且未受损，可以证明组织的稳健性。

WHAT—什么是挤出式生物3D打印？

挤出式生物3D打印是一种生物制造技术，它使用3D打印设备将生物材料（生物墨水）逐层挤出并沉积在特定的位置，以构建具有三维结构的生物组织或器官。通过利用基于挤出的生物打印技术，可以制造心脏贴片以从头开始结合血管网络。

WHY—为什么采用基于细胞外基质（ECM）的水凝胶用作组织工程中的支架材料？

ECM基水凝胶富含对细胞粘附和成熟有帮助的生物活性分子，这些分子可以促进细胞与支架材料的相互作用。具有良好的细胞相容性，能够支持不同类型的细胞在支架上的生长和增殖。能够提供三维结构，为细胞提供更接近于自然细胞微环境的条件，有利于细胞的形态和功能表达。

HOW—研究团队提出一种在制造过程之后加强工程心脏组织的方案。

在本研究中作者提出了一种增强工程化心脏贴片组织组装后鲁棒性的方法（图1）。该增强功能基于两步系统。利用上述基于ECM的水凝胶的物理凝胶为组织成熟的初始阶段创造一个柔软的环境。作者表明，在组织组装后和成熟过程中，在生长培养基中加入一个小的增强生物分子，可以使其深入到整个工程结构中，并从内部显着安全地增加组织的强度。

图1 可部署的挤出生物打印

本文中描述的增强方案基于氧化形式的蔗糖（SOx），其先前已被证明在用于交联脱细胞支架时具有降低的毒性特征。作者假设将SOx作为打印后和组织组装后的增强剂添加到组织生长培养基中将使细胞有时间在软水凝胶内形成细胞-细胞和细胞-基质相互作用（图2a）。由于之前所有关于SOx的研究都将该分子应用于后来添加细胞的非细胞化支架，因此作者评估了SOx是否可用于增强完全细胞化的组织而不会导致细胞死亡。细胞活力测试表明，在浓度低于0.1%时，SOx的存在对细胞活力没有影响（图2c）。因此，在评估SOx增强对水凝胶机械性能的影响时，作者使用了低于该阈值的浓度。

图2 增强水凝胶

为了确定SOx与基于ECM的水凝胶反应的能力，评估了暴露前后ECM中存在的胺基团的浓度。结果表明，ECM-水凝胶中存在的46%±11%的胺与SOx反应（图2f）。并且高分辨率成像显示，SOx的增强在不改变内部形态的情况下进行（图2g，h）。说明在交联之前和之后计算网格中孔的大小，并且在样品之间没有观察到差异。

为了设计出具有临床相关性的心脏贴片，该贴片必须包含高水平的血管化。因此，通过有限元分析评估潜在的血管结构，以确保打印的血管能够为组织中的所有细胞提供足够的氧气。然后是打印设计的心脏组织（图3b）。通过将iPSC-CM封装在ECM-水凝胶中并逐层挤出充满细胞的生物墨水来构建心脏组织。

图3 强化工程组织

血管腔是通过在明胶浆液中打印EC而产生的。生产微粒浆料，以便明胶可以在室温下打印，以匹配打印ECM生物墨水所需的条件。打印后立即评估细胞的整体定位，以确保CM填充实质，而内皮细胞定位到血管（图3c）。当在37℃下孵育时，ECM水凝胶物理交联，而明胶液化并流出贴片，留下维管树和粘附在管腔内壁ECM上的EC。在细胞水平上，通过免疫染色检查细胞形态。对CM进行成像以确保肌节的成熟、伸长和对齐（图3e）。此外，还评估了组织的功能。在收缩组织中测量钙瞬变，并在整个贴片中跟踪单个脉冲，以确保完整的CM网络（图3f）。收缩的同步性表明高度的相互联系和组织组织。

作者将增强的工程心脏组织折叠并压缩，放置在注射器内，并注射另一端以模拟他们在微创手术中可能面临的条件（图4a）。选择这些尺寸是为了准确反映心脏贴片的临床要求，包括其自身的大小和插入它的套管针的大小。

图4 注射增强的工程组织

通过SEM对注射组织的纳米结构进行成像。尽管组织在注射过程中承受了应力，但组织ECM的纤维网络被证明具有足够的弹性，并且注射后ECM的纳米结构没有变化（图4b，c）。相比之下，未添加SOx的打印心脏组织在注射过程中被物理撕裂。由于中空腔在组织中形成一个特别薄弱的点，因此在注射后重新灌注组织以确保血管网络的持续完整性（图4d），并对内皮细胞进行染色和成像以评估其形态。并且重新评估了心肌细胞形态，并显示细胞保持其细长的形态，表明贴片的收缩能力（图4f）。最后，评估注射后的组织功能。注射后，心脏组织立即停止跳动。30分钟后已经可以观察到自发收缩。在三小时内完全恢复，此时自发收缩恢复到注射前的水平（图4g）。

结论：作者证明了操纵培养细胞微环境以满足工程组织不断变化的需求的能力。使用3D打印技术和细胞化生物墨水构建组织，确保细胞的均匀分布，并为组织提供从头开始的维管树。打印后，立即允许细胞在软水凝胶内自组装。在组织的初始自组装之后，在成熟阶段，整个结构以均匀、安全和生物相容性的方式在内部和外部得到强化。这些增强组织可以承受显着的压力，而不会对其形态和功能产生任何变形或不利影响。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202302229

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