散文網(wǎng) » 生活 »日常 » 納/微球狀聚集體在預(yù)血管化和再生醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

納/微球狀聚集體在預(yù)血管化和再生醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

2022-03-19 18:15 作者:北科納米 0人讀過(guò) | 我要投稿

促進(jìn)血管組織工程微血管化是再生醫(yī)學(xué)的一個(gè)中心事項(xiàng)，目前仍然缺乏有效的策略實(shí)現(xiàn)微血管化；納米和微米級(jí)的聚集體以及含有原始微血管床的微球或微珠是血管組織工程中很有前景的方法。毛細(xì)血管是眾多血管中最小的一類，密集分布于心血管系統(tǒng)中。目前，用特定的細(xì)胞成分和促血管生成因子來(lái)模擬這種微血管網(wǎng)絡(luò)的研究仍然具有挑戰(zhàn)性。

Prevascularized Micro?/Nano?Sized Spheroid/Bead?Aggregates for Vascular Tissue Engineering

Maedeh Rahimnejad, Narges Nasrollahi Boroujeni, Sepideh Jahangiri,?Navid Rabiee*, Mohammad Rabiee, Pooyan Makvandi, Omid Akhavan*,?Rajender S. Varma*

Nano-Micro Letters (2021)13:?182

本文亮點(diǎn)

1.?介紹了納米-微米級(jí)聚集體在預(yù)血管化和生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。

2.?對(duì)預(yù)血管化納米-微米級(jí)聚集體在生物醫(yī)學(xué)和再生醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了深入討論。

內(nèi)容簡(jiǎn)介

捷克帕拉茨基大學(xué)的Rajender S. Varma教授和伊朗謝里夫理工大學(xué)的Navid Rabiee教授等綜述了微血管工程中的生物制造方法，包括基于擠出和基于液滴的生物打印、Kenzan和biogripper方法，重點(diǎn)介紹了預(yù)血管化的納米和微米級(jí)聚集體以及微球/微珠的最新研究成果。

圖文導(dǎo)讀

I?血管化

生物制造方法需要在實(shí)驗(yàn)室中構(gòu)建工程組織，如血管網(wǎng)絡(luò)?；谖⒘黧w技術(shù)和生物打印的技術(shù)可用于創(chuàng)建血管網(wǎng)絡(luò)。3D生物打印為難以獲得高級(jí)血管化植入提供了卓越的解決方案。盡管這些過(guò)程已經(jīng)取得了重大進(jìn)展，但仍然無(wú)法模擬三維血管網(wǎng)絡(luò)的功能和生理并發(fā)癥。除了制造技術(shù)外，誘導(dǎo)血管化最常用的方法是在促血管生成因子(如血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF))內(nèi)可控地遞送生物材料，如水凝膠支架。另一種方法是基于細(xì)胞的組織工程，它的理化參數(shù)需要優(yōu)化。

為了設(shè)計(jì)血管組織，需要對(duì)心血管系統(tǒng)有全面的了解。毛細(xì)血管是最小且最豐富的血管且分布非常密集。毛細(xì)血管用于調(diào)節(jié)過(guò)濾過(guò)程，在100–200 μm的組織內(nèi)直接交換營(yíng)養(yǎng)素和廢物。為了在體內(nèi)獲得充分的氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，寬度或長(zhǎng)度大于此尺寸的工程組織需要先天性微血管的形成。

管化組織中的重大損傷，例如不能完全自行愈合的骨缺損，最終導(dǎo)致慢性疼痛。有限特征愈合能力和當(dāng)前干預(yù)措施的局限性，使大血管缺損的治療成為臨床環(huán)境中需要解決的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。包括動(dòng)脈和靜脈在內(nèi)的大血管由三個(gè)主要的顯微壁層組成：外層由膠原纖維和彈性組織組成，中層由膠原纖維、彈性組織和平滑肌組成，內(nèi)層由內(nèi)皮組成。動(dòng)脈比靜脈含有更多的彈性組織，這使得動(dòng)脈能夠隨著血壓的升高而增強(qiáng)其血液傳導(dǎo)能力。小靜脈、小動(dòng)脈和毛細(xì)血管等小血管壁比動(dòng)脈和靜脈壁薄得多，窄得多。小靜脈和小動(dòng)脈分別由薄層纖維組織和平滑肌組成的小直徑血管。毛細(xì)血管通常只有一個(gè)細(xì)胞的厚度，可以實(shí)現(xiàn)最佳的質(zhì)量交換和液體滲透性。根據(jù)血管大小，細(xì)胞類型略有不同。靜脈、動(dòng)脈和小動(dòng)脈由內(nèi)皮細(xì)胞(ECs)、周細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞(SMC)組成。小靜脈由內(nèi)皮細(xì)胞(ECs)、周細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞(SMC)組成，這些細(xì)胞賦予小靜脈與動(dòng)脈的區(qū)別特征。毛細(xì)血管由單個(gè)內(nèi)皮細(xì)胞(EC)和一些周細(xì)胞組成，周細(xì)胞主要被認(rèn)為是穩(wěn)定血管壁的細(xì)胞。大血管的主要作用是使血液和物質(zhì)輸入或輸出器官。相反，小血管或不同的毛細(xì)血管與多種生物學(xué)過(guò)程有關(guān)，包括促進(jìn)組織間質(zhì)液體的運(yùn)輸和吸收、淋巴細(xì)胞的遷移和免疫反應(yīng)等。血管的功能和結(jié)構(gòu)具有顯著的復(fù)雜性。組織工程微血管的復(fù)雜性是組織工程領(lǐng)域面臨的主要挑戰(zhàn)。此外，還應(yīng)考慮任何組織工程的關(guān)鍵因素，包括化學(xué)生長(zhǎng)因子、干細(xì)胞、支架材料、機(jī)械力、支架形貌、電刺激、生物相容性/生物降解性，電活性支架以及細(xì)胞板支架。

圖1.?(a) 骨組織工程中微組織的示意圖; (b) 軟骨內(nèi)骨組織工程中軟骨前體鱗片的重要性; (c) 同樣的前體微組織可用于修復(fù)有嚴(yán)重長(zhǎng)骨缺損的小鼠。

A 生長(zhǎng)因子

細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)是一個(gè)高度動(dòng)態(tài)的微環(huán)境，主要通過(guò)招募和激活不同的生長(zhǎng)因子(GFs)來(lái)調(diào)節(jié)多種細(xì)胞過(guò)程。不同位置的不同親和力導(dǎo)致不同的GF-ECM相互作用；此外，GFs有許多相互關(guān)聯(lián)的交互作用，其具有全功能行為的能力(圖3)。ECM通過(guò)與細(xì)胞受體結(jié)合的GF活性調(diào)節(jié)下游信號(hào)通路，并導(dǎo)致血管生成過(guò)程中新血管的從頭形成。通過(guò)可控釋放生物材料中的生長(zhǎng)因子，已經(jīng)建立了許多體外方法來(lái)模擬出芽。一般來(lái)說(shuō)，將刺激新血管形成的生長(zhǎng)因子分為堿性成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子(BFGF)、血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)、血小板衍生生長(zhǎng)因子(PDGF)和轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β(TGF-β)。化學(xué)和生物共價(jià)結(jié)合反應(yīng)可用于將GFs結(jié)合到基質(zhì)中，或?qū)⑵溲b載到微米級(jí)聚集體或微球中以長(zhǎng)期輸送。最近，科學(xué)家們將VEGF負(fù)載的葡聚糖微粒組合到聚乳酸-乙醇酸(PLGA)微球中，這種可注射的方法實(shí)現(xiàn)了GF的控制釋放。當(dāng)注射到大鼠缺血組織中時(shí)，該系統(tǒng)在體外顯示內(nèi)皮細(xì)胞增殖，在體內(nèi)形成毛細(xì)血管以及平滑肌α-肌動(dòng)蛋白陽(yáng)性血管。在另一項(xiàng)研究中，利用微流控技術(shù)制備了PLGA微球，該微球由載有VEGF的無(wú)水反膠束(R.M.)二棕櫚酰磷脂酰膽堿(DPPC)納米顆粒組成；據(jù)報(bào)道，28天的緩慢和持續(xù)釋放可促進(jìn)人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞的增殖。同樣，Tayebi研究團(tuán)隊(duì)制造了平均尺寸為16–36 μm的PLGA微球，用于控制VEGF的釋放。最近的一項(xiàng)研究綜述了各種微粒在控制和持續(xù)釋放GF方面的潛力和應(yīng)用。生長(zhǎng)因子只能在局部細(xì)胞需要時(shí)通過(guò)使用各種物理刺激源釋放，這些物理刺激源的侵入性很小，如光、超聲波和局部熱。例如，利用聚(N-異丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)開(kāi)發(fā)了磁熱響應(yīng)智能載體，以控制VEGF的釋放和吸收，刺激人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞增殖。生長(zhǎng)因子的感知呈現(xiàn)和溫和釋放在調(diào)節(jié)新生血管形成中起著至關(guān)重要的作用?？梢酝ㄟ^(guò)應(yīng)用光來(lái)模擬生長(zhǎng)因子，從而實(shí)現(xiàn)血管的出芽和內(nèi)皮細(xì)胞在特定方向上的遷移，這可能導(dǎo)致VEGF在特定底物上的同質(zhì)和對(duì)齊模式(圖4)，并且還導(dǎo)致在基質(zhì)表面存在光圖案化VEGF的情況下進(jìn)行高分辨率細(xì)胞培養(yǎng)(圖5)。研究表明，隨著時(shí)間的推移，間質(zhì)流動(dòng)可以消除空間GF梯度，這表明生長(zhǎng)因子和流體力共同控制新血管的生長(zhǎng)。

另一種模擬血管化的策略是通過(guò)工程細(xì)胞的功能釋放促血管生成旁分泌因子。例如，科學(xué)家證明，在血管組織環(huán)中加入明膠微球可以通過(guò)細(xì)胞自組裝促進(jìn)GF的釋放和平滑肌收縮蛋白的表達(dá)。有研究已經(jīng)證明，低濃度預(yù)處理間充質(zhì)祖細(xì)胞分泌TGF-β可增強(qiáng)動(dòng)脈生成基因表達(dá)譜。據(jù)報(bào)道，在心肌梗死大鼠模型的梗死心臟中培養(yǎng)間充質(zhì)祖細(xì)胞時(shí)，基質(zhì)細(xì)胞衍生因子1的分泌可以促進(jìn)血管形成。研究表明，通過(guò)靶向性基因操縱間充質(zhì)干細(xì)胞(MSCs)高水平表達(dá)內(nèi)源性VEGF可顯著提高體內(nèi)血管生成支持能力。經(jīng)VEGF修飾的可注射聚乙二醇微球可促進(jìn)體內(nèi)血管化，從而實(shí)現(xiàn)胰島內(nèi)植入和血糖水平調(diào)節(jié)。缺乏這些方法通常會(huì)導(dǎo)致失控的網(wǎng)絡(luò)組織和滲漏微血管的形成。另外，另一項(xiàng)研究表明，對(duì)于骨骼肌，在生長(zhǎng)培養(yǎng)基上培養(yǎng)適當(dāng)?shù)募?xì)胞(C2C12細(xì)胞)三天后，培養(yǎng)基成功地與成肌細(xì)胞培養(yǎng)基交換，從而刺激細(xì)胞分化和細(xì)胞排列。六天后，該程序完成，并觀察到完整的細(xì)胞排列。有趣的一點(diǎn)是，細(xì)胞生長(zhǎng)在葉子衍生的纖維素支架上，顯示完全對(duì)齊或者部分對(duì)齊(圖6)。

圖2.?心臟組織工程的關(guān)鍵因素。

圖3.?關(guān)于GFs遞送以及每個(gè)關(guān)鍵因素對(duì)遞送系統(tǒng)影響的示意圖。

圖4.?血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子在膠原-糖胺聚糖支架表面的光圖案化。(a) 用VEGF光圖案化的膠原-糖胺聚糖支架的表面；(b) 膠原-糖胺聚糖支架表面光圖案化VEGF的橫截面顯微鏡；(c) 膠原-糖胺聚糖支架表面的VEGF結(jié)合量。

圖5.?在膠原-糖胺聚糖支架表面上的光圖案化VEGF，HUVEC細(xì)胞。(a) 在修飾的光圖案化支架上培養(yǎng)的圖像; (b) 在未修飾的光圖案化支架上培養(yǎng)的圖像。

圖6.?當(dāng)C2C12細(xì)胞在蔥源性纖維素支架的外表面上培養(yǎng)時(shí)，分化成排列整齊的肌管。(a) 當(dāng)在外部蔥白鱗莖或綠葉纖維素支架上培養(yǎng)時(shí); (b) 共焦熒光圖像顯示C2C12細(xì)胞在纖維連接蛋白涂層(50 μg/mL)上培養(yǎng)時(shí)在玻璃蓋玻片隨機(jī)排列; 通過(guò)在不同底物上種植C2C12細(xì)胞的2D方向順序參數(shù)(OOP)，對(duì)肌動(dòng)蛋白排列獲得的熒光圖像進(jìn)行定量分析。

B 細(xì)胞成分

在許多生物工程策略中，研究人員利用原代內(nèi)皮細(xì)胞構(gòu)建中、微尺度血管系統(tǒng)。人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞和原代小鼠肝細(xì)胞的聯(lián)合生物打印顯示出良好的細(xì)胞-細(xì)胞相互作用，并通過(guò)適當(dāng)?shù)恼T導(dǎo)血管化顯著增強(qiáng)CYP1A2的代謝活性和肝細(xì)胞的功能。最近，內(nèi)皮細(xì)胞在毛發(fā)生長(zhǎng)中的關(guān)鍵作用已被揭示，其中由人血管內(nèi)皮細(xì)胞、人毛乳頭懸浮液和小鼠胚胎上皮細(xì)胞組成的聚集體形成，然后定位于毛囊細(xì)菌中；該系統(tǒng)改善毛囊基因表達(dá)導(dǎo)致毛發(fā)再生。Carmeliet等人發(fā)表了一項(xiàng)單細(xì)胞研究，揭示了內(nèi)皮細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組圖譜，該圖譜提供了內(nèi)皮細(xì)胞異質(zhì)性的更好表征，這可能解決了在微尺度和中尺度模擬血管模型的主要挑戰(zhàn)。該圖譜包含內(nèi)皮細(xì)胞的全部轉(zhuǎn)錄組，包括內(nèi)皮細(xì)胞的特殊表型和意外表型(圖7)。所有這些結(jié)果都已通過(guò)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)研究以及特定蛋白質(zhì)分析(圖8)得到驗(yàn)證，這有助于科學(xué)家評(píng)估納米材料的行為和相互作用以及它們?cè)诩?xì)胞微環(huán)境中的相互關(guān)聯(lián)關(guān)系。

周細(xì)胞在影響微血管的自分泌和旁分泌信號(hào)中起著關(guān)鍵作用。此外，毛細(xì)血管的形成和再生受周細(xì)胞豐度、規(guī)格和可塑性的調(diào)節(jié)。在體外重現(xiàn)這些細(xì)胞時(shí)遇到了一些挑戰(zhàn)；神經(jīng)膠質(zhì)抗原2、平滑肌肌動(dòng)蛋白和血小板衍生生長(zhǎng)因子受體β是在不同品種中表達(dá)的表面標(biāo)記物，可創(chuàng)造分化為平滑肌細(xì)胞和其他基質(zhì)細(xì)胞類型的潛力。血管周圍細(xì)胞有可能觸發(fā)影響微血管模型中血管出芽的支持性支架形成的因素，盡管它們?nèi)狈χ芗?xì)胞的組織特異性特征。因此，血管周圍細(xì)胞替代作為一種關(guān)鍵的生物工程方法涉及在工程模型中分化干細(xì)胞(即骨髓或原代成纖維細(xì)胞來(lái)源的MSC)。例如，研究人員報(bào)導(dǎo)了在微流控裝置提供的受控灌注條件下，人源性MSC和內(nèi)皮細(xì)胞的相互作用，促進(jìn)了MSC的增殖，并使血管細(xì)胞產(chǎn)生適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。由纖維蛋白和膠原與人成纖維細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞包埋而成的復(fù)合微球顯示出周細(xì)胞樣功能，體外培養(yǎng)14天的微血管網(wǎng)絡(luò)成熟和預(yù)血管化微組織的形成中表明層粘連蛋白的沉積。在另一項(xiàng)研究中，膠原微球已經(jīng)裝載了人骨髓來(lái)源的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞，以刺激多能干細(xì)胞來(lái)源的內(nèi)皮細(xì)胞(iPSC-EC)。由于骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞與iPSC-EC相互作用，他們采用內(nèi)皮細(xì)胞表型，表達(dá)內(nèi)皮標(biāo)記物CD31，形成管狀微血管樣模式。

另外，科學(xué)家們研究了包括多能干細(xì)胞衍生的內(nèi)皮細(xì)胞(iPSC)策略在內(nèi)的新細(xì)胞源進(jìn)行微血管組織工程或體內(nèi)再生。iPSC-人內(nèi)皮細(xì)胞(ECs)(CD144+，CD31+抗原表達(dá))的衍生方法產(chǎn)生小動(dòng)脈或靜脈樣內(nèi)皮細(xì)胞群。與HUVEC相比，一些研究強(qiáng)調(diào)了異位植入體內(nèi)后內(nèi)皮細(xì)胞缺乏成熟導(dǎo)致功能缺陷。Levenberg小組最近的一項(xiàng)研究表明，來(lái)源于胚胎干細(xì)胞(ESC)的內(nèi)皮細(xì)胞(EC)能夠與天然小鼠組織吻合，并在管腔中的第一例人類CD31+血管細(xì)胞中得到了證實(shí)。早期研究表明，iPSC內(nèi)皮細(xì)胞中的CXCL12/CXCR4趨化信號(hào)可促進(jìn)缺血視網(wǎng)膜的血運(yùn)重建，與人類原代內(nèi)皮細(xì)胞相比，后者對(duì)血管生成的貢獻(xiàn)更大。已開(kāi)發(fā)出載人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞(HUVEC)的膠原微球，顯示CD31+顯著增加，表明在體內(nèi)植入14天后出現(xiàn)新生血管(圖9)。

有多種方法可用于周細(xì)胞的直接分化方案以及iPSC和ESC衍生的血管周細(xì)胞的生成。ECs、周細(xì)胞和血管平滑肌細(xì)胞(VSMC)現(xiàn)在可以從人類誘導(dǎo)的多能干細(xì)胞(hiPSC)高效生成，并用于器官芯片開(kāi)發(fā)，作為模擬組織的基本體外血管化模型。除了體外模型外，許多研究小組還試圖在再生損傷模型中獲得功能性體內(nèi)植入。iPSCs在工程中微尺度血管系統(tǒng)中的應(yīng)用是一種自體的、無(wú)限的細(xì)胞來(lái)源以及高產(chǎn)量技術(shù)，為生成組織血管和體外模型提供了最有效的工具。

圖7.?特殊的內(nèi)皮細(xì)胞表型。(a-b) 腸道Aqp7+毛細(xì)血管和Madcam1+靜脈內(nèi)皮細(xì)胞富集標(biāo)記物的點(diǎn)圖熱圖; (c-d) 干擾素激活的前50個(gè)標(biāo)記之間交叉點(diǎn)的翻轉(zhuǎn)圖; (e) 增殖內(nèi)皮細(xì)胞中上調(diào)基因的Venn圖; (f–i) 小鼠組織切片的代表性顯微照片。

圖8.?特殊內(nèi)皮細(xì)胞表型的蛋白質(zhì)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。(a-b) 小鼠結(jié)腸的典型顯微照片; (c-d) 小鼠腦切片的代表性顯微照片(陰性和陽(yáng)性對(duì)照組); (e-g) 小鼠肝臟的顯微照片(陰性和陽(yáng)性對(duì)照組)。

圖9.?新生血管實(shí)驗(yàn)的體內(nèi)階段。(a) 微球支架的CD31和CD45染色；(b)微球支架的內(nèi)皮細(xì)胞染色；(c-d) Integra?支架的內(nèi)皮細(xì)胞染色；(e-f) I型膠原支架的CD31和CD45染色。

圖10.?14天后染色微球支架的多光子顯微鏡圖片。

II?生物打印在解決問(wèn)題方面的差距和作用

微血管組織制造中的先進(jìn)的技術(shù)，包括基于擠壓和基于液滴的生物打印、Kenzan和biogripper方法，從而實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞聚集體和球體的3D生物打印。1)基于擠出的生物打印是一種強(qiáng)大的3D技術(shù)，它通過(guò)噴嘴分配生物墨水溶液，這種細(xì)胞聚集的生物打印可用于細(xì)胞聚集和組織鏈成熟，以生成可伸縮的組織; 2)基于液滴的生物打印(DBB)使用生物墨水溶液以高精度生成生物材料液滴和細(xì)胞,它可進(jìn)一步分為噴墨生物打印、微孔生物打印和聲學(xué)液滴噴射生物打印。基于液滴的生物打印適用于打印直徑范圍為50? 300 μm的高分辨率圖案的微血管(圖11)；目前，它能夠在2D中精確定位球體，球體在生物打印期間裝入液滴中；3) Kenzan方法(基于微針的技術(shù))能夠精確地對(duì)球體進(jìn)行生物打印。使用微針進(jìn)行球體和微組織的三維沉積可以將球體保持在預(yù)定位置；4)biogripper方法可以制造大型可灌注的組織結(jié)構(gòu)。這種方法通過(guò)定位、對(duì)齊和操縱無(wú)支架的生物微聚集體，生成較寬范圍的尺寸(600 μm至3.4 mm)和形狀。

圖11.?向上和向下生物打印設(shè)備的示意圖。先進(jìn)的、具有高分辨率的基于液滴的生物打印系統(tǒng)。
III?微米級(jí)骨料和微球/微珠

通過(guò)多種細(xì)胞類型和聚集細(xì)胞的共培養(yǎng)，可以創(chuàng)造各種不同的細(xì)胞形態(tài)。細(xì)胞外基質(zhì)分泌能力是細(xì)胞在天然微環(huán)境中誘導(dǎo)有效通訊的重要因素。由于細(xì)胞-細(xì)胞和細(xì)胞-細(xì)胞外基質(zhì)的相互作用有限，天然組織微環(huán)境通常不易形成。它可以通過(guò)細(xì)胞以分離的方式生長(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如細(xì)胞負(fù)載水凝膠或單層細(xì)胞。為了解決這個(gè)問(wèn)題，人們引入了新的生物打印技術(shù)。許多生物墨水配方包括細(xì)胞聚集體已被報(bào)道，成為生物打印血管化組織的一種有前途的工具。此外，生物打印技術(shù)在所需位置精確放置高密度細(xì)胞的能力為臨床應(yīng)用規(guī)模的仿生結(jié)構(gòu)創(chuàng)造新的方案。例如，在功能化和高存活率的胰島三維培養(yǎng)模型中，微血管化是非常需要的。Scheiner等人將50 μm聚(ε-己內(nèi)酯-PEG-ε-己內(nèi)酯)-b-聚(l-丙交酯)微球裝載在3D打印的基于聚二甲基硅氧烷的結(jié)構(gòu)中，然后裝載胰島細(xì)胞，使其在4周內(nèi)產(chǎn)生顯著的血管化。

血管組織工程面臨的主要挑戰(zhàn)之一是細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)中缺乏細(xì)胞間的相互作用和微血管網(wǎng)絡(luò)的出芽，這些問(wèn)題可以通過(guò)生成充滿細(xì)胞的球體或微型聚集體來(lái)解決。由于球體的融合能力，它們可用于形成強(qiáng)健的內(nèi)源性毛細(xì)血管樣網(wǎng)絡(luò)，從而為創(chuàng)建高度組織化的血管化微組織提供新的機(jī)會(huì)。在這方面，已經(jīng)證明毛細(xì)血管新生的出芽能夠改變富含纖維蛋白細(xì)胞的基質(zhì)的機(jī)械生物學(xué)特性，從而改變細(xì)胞的命運(yùn)。在另一項(xiàng)研究中，瓊脂糖微模子被用作具有受控尺寸的高產(chǎn)量球體，以開(kāi)發(fā)用于高通量制造血管前網(wǎng)絡(luò)的平臺(tái)。人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞可以成功分化成球形，最近已與脂肪源性干細(xì)胞(ADSCs)結(jié)合使用，以改善球形體內(nèi)的毛細(xì)血管形成和組織工程應(yīng)用。激光誘導(dǎo)前向轉(zhuǎn)移(LIFT)工藝是一種很有前景的數(shù)字印刷技術(shù)，它利用粘度在1到300 mPa s之間的水凝膠促進(jìn)液滴的形成，從而在印刷技術(shù)中提高細(xì)胞密度(每毫升高達(dá)6000萬(wàn)個(gè)細(xì)胞)。

以組織球體和其他三維小細(xì)胞聚集體形式存在的微組織是模擬體內(nèi)組織微環(huán)境的理想候選者，可對(duì)其進(jìn)行重組，以生成可復(fù)制的復(fù)雜組織，如骨和胰腺，以及用于治療目的的癌組織模型。這種球體的組裝可以通過(guò)3D生物打印和微流控裝置以受控方式進(jìn)行。因此，這些組織球體必須具有標(biāo)準(zhǔn)尺寸和形狀，以適合微組織生物打印過(guò)程中的連續(xù)分配。

大規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)尺寸的可伸縮生物制造是另一個(gè)需要考慮的重要問(wèn)題。直徑大于300 μm的大球體或較小的共培養(yǎng)球體不適合生物打印。懸滴培養(yǎng)法是一種高維持性培養(yǎng)方法，可形成小的共培養(yǎng)球體。通過(guò)幾種培養(yǎng)方法研究了血管化球體形成的適宜性。盡管開(kāi)發(fā)了多種高通量球體培養(yǎng)系統(tǒng)，但迄今為止，它們已被用于生產(chǎn)單一培養(yǎng)球體或非血管化共培養(yǎng)物。目前尚未報(bào)道一種能夠在體內(nèi)高產(chǎn)量地形成大組織，具有可調(diào)和可控大小的預(yù)血管化微尺寸聚集體和微球的制備方法。

目前尚未報(bào)道一種能夠在體內(nèi)高產(chǎn)量地形成大組織，制備具有可調(diào)和可控大小的預(yù)血管化微尺寸聚集體和微球的方法。此外，這些預(yù)血管化微球?qū)⑹悄M特定人類組織結(jié)構(gòu)的微組織3D生物打印的基本元素。到目前為止，大多數(shù)工程化血管化組織的大小在1毫米范圍內(nèi)。然而，需要在大范圍內(nèi)進(jìn)行微血管形成，并具有高細(xì)胞密度(~cm)，以提供適當(dāng)?shù)墓嘧?。此外，非粘附性微孔培養(yǎng)系統(tǒng)能夠以高通量方式產(chǎn)生具有生物打印兼容幾何形狀的血管化前微組織。以不同比例(HUVEC/ADSC、HUVEC/HFF、HUVEC/ADSC/HFF)將人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞(HUVEC)與其他支持細(xì)胞類型，如脂肪組織來(lái)源的間充質(zhì)干細(xì)胞(ADSC)和人包皮成纖維細(xì)胞(HFF)共培養(yǎng)研究應(yīng)用支持細(xì)胞類型和細(xì)胞比例對(duì)球體和微血管形成的影響。

球體的精確定位是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。球體密度在球體融合中起著至關(guān)重要的作用；因此，由于球體的位置不一致，可能導(dǎo)致不均勻融合。在這方面，球體在印刷前被灌注到固體圓筒中。與球形單位相比，圓柱形組織單位融合速度更快、更連續(xù)，尤其是在大規(guī)模情況下。這些結(jié)構(gòu)可用于擴(kuò)大血管組織生物制造。

作者簡(jiǎn)介

Rajender S. Varma

本文通訊作者

帕拉茨基大學(xué) (Palacky University)

▍主要研究領(lǐng)域

管理多學(xué)科技術(shù)項(xiàng)目，參與包括光催化、合成、環(huán)境科學(xué)，高效的污染物綠色修復(fù)技術(shù)等可持續(xù)化學(xué)的研究。近年來(lái)，專注于研究納米光催化劑組裝的綠色方法以及磁性可回收納米光催化劑在良性介質(zhì)中的可持續(xù)應(yīng)用。

▍主要研究成果

多家國(guó)際期刊編輯顧問(wèn)委員會(huì)的成員，曾獲得國(guó)際先進(jìn)材料協(xié)會(huì)(IAAM)先進(jìn)材料科學(xué)與技術(shù)杰出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)?wù)翺RD可持續(xù)發(fā)展獎(jiǎng)，卓越服務(wù)銀獎(jiǎng)，美國(guó)環(huán)境保護(hù)局科學(xué)和技術(shù)成就獎(jiǎng)，美國(guó)環(huán)境保護(hù)局國(guó)家風(fēng)險(xiǎn)管理研究實(shí)驗(yàn)室獎(jiǎng)等多項(xiàng)榮譽(yù)。共發(fā)表科學(xué)論文710多篇，H-Index 114，授予美國(guó)專利17項(xiàng)，文章總引用量達(dá)48,400次。

▍Email:?varma.rajender@epa.gov