[小而美系列]类球体构建策略及其在3D生物打印中的应用

2024-04-20

深度聚焦类器官与3D培养论坛，OTC2024论坛合作详询：王晨 180 1628 8769在生物制造和组织工程领域，3D生物打印技术正迅速发展，其目标是设计和制造出具有自然功能和结构的人类组织和器官。细胞作为构建组织的基本单元，其在体外培养时的三维(3D)结构对于模拟体内环境和研究细胞间的复杂相互作用至关重要。近年来，细胞球状体（spheroids）作为一种3D细胞结构，因其能够自然形成复杂的细胞-细胞和细胞-基质相互作用而受到广泛关注。细胞球状体不仅在疾病模型和药物筛选中显示出巨大潜力，而且在组织再生方面也展现出显著的应用前景。3D生物打印技术通过精确地将生物墨水（bioinks）沉积成预定的3D形状来构建复杂的组织结构。尽管3D生物打印在效率上具有优势，但细胞发展成复杂组织结构所需的时间可能较长。而3D打印细胞球状体则显著减少了它们在后期培养阶段发展成大型组织/器官所需的时间，这是因为它们以高细胞密度进行打印。将细胞球状体的制造与生物打印技术相结合，为再生医学中的许多问题提供了新的解决方案。本文综述了细胞球状体的构建策略及其在3D生物打印中的应用。首先，介绍了细胞球状体的基本概念和形成机制，以及它们在模拟体内环境、疾病模型和药物筛选中的应用。接着，详细讨论了3D生物打印技术的原理、不同类型的生物墨水以及打印过程中的关键参数。此外，还系统地阐述了和分析了细胞球状体的制造方法和3D生物打印策略，突出了细胞球状体作为构建模块的角色。最后，提出了细胞球状体制造和3D生物打印面临的主要挑战、未来的要求以及一些建议。1. 细胞球状体的基本概念和形成机制细胞球状体是通过体外培养条件下的细胞自组装形成的3D球形结构。这些细胞结构通常由相同或不同类型的细胞聚集而成，包括癌细胞、干细胞和正常细胞。细胞球状体的形成过程受到多种因素的影响，包括细胞类型、培养条件和外部环境。与传统的二维(2D)细胞培养相比，细胞球状体的内部环境存在差异，细胞暴露于不同的氧气、营养物质和代谢产物梯度中，这更接近于体内环境和条件。在3D结构中，细胞可以自然形成复杂的细胞-细胞和细胞-基质相互作用，这种结构对于理解细胞在生物体中的自然环境具有重要意义。2. 3D生物打印技术的原理和应用3D生物打印是一种先进的生物制造技术，它通过精确地逐层定位生物材料、生化物质和活细胞来构建高度定制化和复杂的结构，从而制造出具有高度仿生结构的组织或器官。3D生物打印的生物墨水主要包括水凝胶和细胞悬液。打印出水凝胶纤维后，细胞在纤维中增殖和分化。然而，基于支架的3D生物打印存在一些问题，例如细胞与固体支架之间的相互作用本质上是二维的，限制了细胞间和细胞内的相互作用。3. 细胞球状体的制造方法细胞球状体的制造是3D生物打印构建3D细胞聚合体的关键技术。研究人员开发了多种生产细胞球状体的方法，包括悬挂滴液法、微孔法、微流控、磁力操控、生物反应器和定制打印机等。这些方法在通量、尺寸精度、劳动强度、细胞球状体损失或受伤风险以及特性方面各有优势和劣势。4. 细胞球状体在3D生物打印中的应用3D生物打印的主要目的是按照计划的路径组装细胞。细胞球状体作为一种生物墨水，利用其自组装特性形成组织。控制细胞球状体的空间分布和所需功能的形成导致了多种细胞球状体3D生物打印方法的发展。这些方法包括挤出式生物打印、基于液滴的生物打印、Kenzan方法、生物组装方法和磁力生物打印等。5. 面临的挑战和未来展望尽管细胞球状体和3D生物打印在制造复杂3D生物结构方面展现出巨大潜力，但仍存在一些技术和应用上的挑战。这些挑战包括细胞球状体的一致性问题、制造过程中的细胞损伤、打印后组织的稳定性、组织内血管的形成以及成本问题等。未来的研究需要集中于提高过程控制、标准化、可扩展性、监测和先进的细胞球状体转移和表征方法。综上所述，细胞球状体的3D生物打印技术为组织工程和再生医学开辟了新的可能性。通过不断优化和创新，这一领域有望在未来实现更加高效、可控的组织和器官制造，为人类健康和疾病治疗带来革命性的进步。在3D生物打印和细胞球状体技术的发展过程中，存在一系列瓶颈和关键科学问题，这些问题的解决对于推动该领域的发展至关重要。以下是一些主要的挑战和科学问题：1. 细胞球状体的一致性和可重复性细胞球状体的自组装过程受到多种因素的影响，包括细胞类型、培养条件和外部环境。这些因素可能导致细胞球状体在大小、形状和组织结构上的不一致性，进而影响所构建组织的功能性和性能。如何精确控制细胞球状体的形成，以确保它们的一致性和可重复性，是一个关键的科学问题。2. 细胞球状体的生物活性和功能模拟尽管细胞球状体在结构上可以模拟特定组织的某些方面，但它们内部的细胞相互作用和组织功能可能与真实组织仍有差异。如何在细胞球状体中实现复杂的细胞间相互作用和功能模拟，是另一个重要的科学问题。3. 3D生物打印的分辨率和精度3D生物打印技术需要实现高精度的细胞定位和组织结构构建。当前的技术在打印分辨率、细胞密度分布的均匀性以及打印过程中对细胞的损伤等方面存在限制。如何提高打印分辨率和精度，减少细胞损伤，是技术发展的关键。4. 打印后组织的稳定性和成熟打印完成后，细胞球状体可能会因为流体力学效应或外力作用而改变形状，影响组织的稳定性。如何确保打印后组织的稳定性和促进其成熟，是一个技术挑战。5. 组织工程中的血管化问题为了确保组织工程中的大型生物组织的生存，必须实现有效的血管化。然而，如何在打印的组织结构中形成功能性的血管网络，以支持营养物质的传输和废物的排除，是一个尚未解决的关键问题。6. 生物墨水的选择和优化生物墨水是3D生物打印的核心材料，其选择和性质对细胞球状体的形成和生物活性有重要影响。目前，适合3D生物打印的生物墨水种类有限，需要开发新的生物墨水材料，并优化其性能以满足打印过程的需求。7. 打印设备和过程的自动化自动化是提高3D生物打印效率和质量的关键。目前，许多打印过程尚未完全自动化，需要人工干预。如何实现打印过程的全自动化，提高打印的通量和精度，是一个技术挑战。8. 成本效益分析3D生物打印技术的成本相对较高，这限制了其在临床和商业应用中的普及。如何降低3D生物打印的成本，提高其经济效益，是推动技术发展和应用的关键因素。9. 伦理和法律问题随着3D生物打印技术的发展，还可能涉及到一系列伦理和法律问题，如生物打印组织的所有权、打印过程中使用的细胞来源的伦理问题等。这些问题需要在技术发展的同时得到妥善解决。10. 跨学科合作3D生物打印是一个高度跨学科的领域，需要生物学家、材料科学家、工程师和临床医生的紧密合作。如何促进不同学科之间的交流和合作，以实现技术的协同发展，是一个关键的组织问题。总之，3D生物打印和细胞球状体技术的发展面临着多方面的挑战和科学问题。通过跨学科合作、技术创新和优化，有望逐步克服这些瓶颈，推动该领域向临床应用和商业化发展。这篇综述文章的最佳看点可以概括为以下几点：综合性评述：文章全面地评述了细胞球状体的构建方法和3D生物打印技术，涵盖了从基础的细胞自组装机制到复杂的生物打印策略。技术细节深入：对于不同的细胞球状体制造技术，如悬挂滴液法、微孔法、微流控技术、磁力操控、生物反应器和定制打印机等，文章提供了深入的技术细节和比较分析。应用前景探讨：文章探讨了细胞球状体在组织工程、疾病模型、药物筛选和再生医学中的应用前景，突出了其在生物医学研究中的重要性。挑战与未来方向：综述不仅指出了当前技术面临的挑战，如细胞球状体的一致性、打印分辨率、组织稳定性和血管化等，还提出了未来研究的方向和建议。跨学科视角：文章从生物学、材料科学、工程学和临床医学等多个学科的角度出发，提供了一个多学科交叉的研究视角。图表和案例研究：通过图表和案例研究展示了细胞球状体的形态、3D生物打印的过程以及打印结构的复杂性，增强了文章的可读性和直观性。创新技术的关注：文章特别关注了新兴的3D生物打印技术，如挤出式生物打印、基于液滴的生物打印、Kenzan方法、生物组装方法和磁力生物打印等。实用信息：为研究人员提供了关于如何选择合适生物墨水、设计打印参数和优化打印过程的实用信息。伦理和法律考量：文章还涉及了与3D生物打印相关的伦理和法律问题，为读者提供了全面的考量。资金和贡献声明：文章最后列出了资助信息和作者贡献，增加了研究工作的透明度和可信度。这些看点使得这篇综述成为3D生物打印和细胞球状体研究领域的重要参考资料，对于学术研究人员、临床医生、生物工程师以及对再生医学感兴趣的读者都具有很高的价值。与千万同行共同关注类器官！END深度聚焦类器官与3D培养论坛，OTC2024论坛合作详询：王晨 180 1628 8769戳“阅读原文”立即领取限量免费参会名额!