類器官（Organoids）作為一種能夠模擬人體器官結構與功能的三維培養系統，近年來在模擬人類病理生理學的研究中引起了廣泛關注。類器官通常來源于具備自我更新和分化能力的多能干細胞或組織來源的祖細胞。與傳統的二維培養系統和動物模型相比，類器官在基因與蛋白質的表達、代謝功能及微觀組織結構等方面更為接近天然器官，因此被認為是更理想的體外模型。
    盡管類器官技術具有諸多優點，但在構建與培養方面仍面臨顯著挑戰。例如，手動傳代與培養過程既耗時又成本高昂；由于缺乏免疫系統與血管系統，作為微型三維結構的類器官在復雜性上無法與天然組織相提并論；將類器官與組織工程支架整合或組裝存在一定困難；此外，在藥物開發過程中，利用高通量技術進行大規模生產和應用依舊十分復雜。
     3D生物打印作為一種新興的生物增材制造技術，現已廣泛應用于骨骼、心臟、皮膚、肝臟、大腦、腸道及胰腺等組織工程領域。3D生物打印利用生物墨水（由活細胞與支撐材料如水凝膠的混合物）通過在三維空間中精確沉積與組裝細胞及生物材料，以構建復雜結構。通過調整生物打印參數，可以實現生物墨水的精準空間沉積，而程序化的計算機輔助自動化操作則使得3D生物打印具備操作步驟的可重復性及多個打印對象的批量生產能力。
      這些優勢使得3D生物打印有潛力通過按照既定程序在預定位置打印各種生物材料或細胞，從而構建異質細胞微環境，進而促進當前類器官培養技術的發展。根據3D生物打印與類器官形成的順序，3D生物打印在類器官培養中發揮著不同的作用。在類器官培養之前，可以利用3D生物打印構建具有特殊通道或腔室的培養板，以便于信號傳導或實現可灌注結構。高密度生物打印含細胞的生物墨水能促進細胞的自組裝與類器官的成熟。而在類器官形成后，生物打印則包括構建不同細胞相互作用的分層結構、血管網絡，以及專門設計的建構模塊，以誘導形態發生、結構極化和類器官的功能成熟。
 

     近期，重慶大學崔海軍、崔海濤發布在Advanced healthcare materials期刊，題為Integrating 3D Bioprinting and Organoids to Better Recapitulate the Complexity of Cellular Microenvironments for Tissue Engineering的綜述旨在介紹近期3D生物打印技術在增強類器官工程中的最新發展。
主要內容
1) 用于類器官三維生物打印的技術及其優缺點：該研究系統地總結了多種生物打印技術，包括擠出式生物打印、基于液滴的生物打印、立體光刻、數字光處理、體積式生物打印、磁輔助生物打印和抽吸輔助生物打印。對于每種技術，研究深入探討了其優點（例如，擠出式生物打印具備良好的通用性和大規模打印能力，立體光刻則以其高分辨率和多樣的材料選擇而著稱）、局限性（如材料的限制、打印速度較慢等）以及適用的類器官類型。這為研究人員在選擇合適的生物打印技術時提供了重要的參考依據。
 

2）改進的生物打印技術促進了類器官的進展：本研究探討了從細胞來源到最終功能之間的完整工作流程，涵蓋了精確定位、逐層沉積、微環境構建、高通量生產以及空間定位等多個關鍵功能。這些技術的綜合應用使得類器官的制備過程更加標準化且更具可控性。
 

3）用于類器官生物打印的生物墨水：本研究探討了多種常用的天然材料（例如海藻酸鹽、透明質酸及膠原蛋白）與合成材料（如GelMA和PEGDA）的化學結構及其特性。這些材料的選擇對成功構建類器官具有重要意義。
 

4）高細胞密度生物打印中形成基于纖維的細胞聚集體的過程：本研究通過優化生物墨水的配方及打印參數，達成了細胞的高密度排列，進而增強了細胞之間的相互作用。特別地，在包埋浴中加入水后，可以將黃原膠的粘度稀釋至水的水平，這樣在沒有添加相應酶的情況下，便能夠輕松提取出打印的結構。
 

5）利用精確沉積技術構建復雜的類器官結構：三維生物打印在制作管道、柱體、腔體以及微結構等組件方面展現出顯著的潛力。通過增加空間約束，能夠有效誘導類器官的形態發生與生理成熟。此外，通過對生物材料的空間分布進行精確控制，可以實現特定的幾何形狀和細胞排列。
 

6) 自動化與高通量技術在類器官培養標準化中的應用：三維生物打印被認為是一種有潛力的方法，旨在提升類器官的重現性，同時加速標準化及藥物篩選的周期。已有研究致力于開發自動化類器官平臺，以解決器官培養中的效率和標準化問題。研究人員結合了微流控技術與三維打印，利用3D微流體液滴打印機將由細胞和基質凝膠組成的類器官前體打印至96孔板中，該平臺能夠在一周內生成超過400微米的類器官，展現出器官間的一致性與患者間的多樣性。同樣，三維打印技術與微流控技術的結合，使得在384孔板上實現高通量類器官打印成為可能，僅需使用5微升的生物墨水。
 

7）骨骼、肝臟及心臟類器官的三維生物打印應用實例：通過特定的打印策略與材料選擇，實現了這些復雜器官的體外重建。利用三維生物打印技術和硅酸鈣（CS）納米線，提升了受神經支配的骨類器官的形狀保真度，并同時促進了成骨與神經發生。借助計算機輔助設計（CAD）及自動化技術，三維打印技術為肝類器官提供了個性化藥物測試、肝再生及肝臟疾病模型等病理生理學分析的顯著優勢。此外，該技術還為心臟類器官的構建提供了一種通用解決方案，包括幾何結構、血管化及高效生產等方面。
 

8) 研究團隊通過對打印參數和材料配方的優化，成功實現了消化系統類器官的生物打印，這些器官具備特定的功能性結構。
 

9）癌癥類器官及其組裝體的構建過程：通過將多種細胞類型與生物材料相結合，實現了腫瘤微環境的體外重建。生物打印技術使得復制腫瘤微環境成為可能，并有望建立體外的臨床前腫瘤模型，這對于高通量及個性化藥物篩選具有重要意義。
 

10）一體化平臺及通用生物墨水系統的演變趨勢：本研究探討了未來類器官生物打印技術的關鍵發展方向。通過調整一系列參數，整合這些打印功能有望將有機培養過程簡化為一系列易于控制的程序指令。所設計的一體化平臺預期能夠有效縮短類器官培養與三維生物打印之間的距離。此外，具有可調節物理化學特性與生物活性的合成水凝膠能夠模擬多種組織的細胞外基質（ECM）特性，極有可能成為類器官三維生物打印的理想通用生物墨水。
 

總結
    綜上所述，本綜述概述了用于類器官的主要生物打印技術及材料，尤其強調了將三維生物打印與類器官結合所帶來的潛在優勢。這些優勢主要體現在實現高細胞密度以形成大規模細胞聚集體、精確沉積構建模塊以構建具備復雜結構和功能的類器官，以及自動化和高通量技術的應用，以保障類器官培養過程的重復性和標準化。

參考文獻
Hu Y, Zhu T, Cui H, Cui H. Integrating 3D Bioprinting and Organoids to Better Recapitulate the Complexity of Cellular Microenvironments for Tissue Engineering. Adv Healthc Mater. 2024 Dec 8:e2403762. doi: 10.1002/adhm.202403762. Epub ahead of print. PMID: 39648636.

(責任編輯：admin)

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