Nature Reviews Biotechnology:类器官打印从细胞到功能组织

文摘   2024-12-25 11:45   浙江  

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类器官(organoid)生物打印技术是一种新兴的生物制造方法,它通过精确控制细胞或类器官的三维空间排列来构建具有特定结构和功能的组织模型。该技术的科学背景根植于组织工程和再生医学领域,旨在通过工程手段重建人体器官的复杂结构和功能。类器官是由干细胞或组织细胞自组装形成的三维细胞结构,能够模拟器官的发育和疾病过程,是体外研究器官功能的理想模型。然而,传统类器官培养方法存在结构复杂度不足、难以精确控制细胞空间分布等问题,限制了其在疾病建模、药物筛选等方面的应用。生物打印技术的引入为解决这些问题提供了新的思路。通过将类器官或类器官形成细胞作为“活材料”(living material),利用生物打印技术可以实现对细胞或组织的精确空间定位,从而构建更加复杂和精确的组织模型。这一技术的进展不仅包括在打印精度、材料选择、打印方法等方面取得的突破,还体现在对类器官生物学特性的深入理解和应用上。例如,通过优化打印参数和材料,可以提高打印后细胞的存活率和组织的成熟度;通过结合不同的生物打印技术,如连续打印和点选式打印,可以实现对不同类型细胞和组织的精确组装。然而,尽管取得了诸多进展,类器官生物打印技术仍面临诸多挑战。首先,如何在保持细胞活性和功能的同时实现高精度打印是一个难题。其次,不同组织类型的类器官在打印过程中表现出不同的力学特性和生物相容性,需要针对不同组织类型开发特定的打印策略和材料。此外,如何将生物打印技术与现有的类器官培养技术相结合,实现从单个类器官到复杂组织模型的转变,也是当前研究需要解决的关键问题。类器官生物打印技术的研究价值和意义在于,它为构建更加精确和复杂的体外组织模型提供了新的方法和工具,有助于深入理解器官的发育机制和疾病发生过程,推动个性化医疗和精准医疗的发展。通过该技术,可以实现对疾病模型的高通量筛选和药物的快速评估,为新药研发和疾病治疗提供重要的技术支持。同时,类器官生物打印技术还有望在再生医学领域实现突破,为受损器官的修复和再生提供新的解决方案。

  1. 类器官生物打印技术的重要性:该技术能够精确控制类器官或类器官形成细胞的三维空间排列,构建出具有特定结构和功能的组织模型,对于模拟器官的发育和疾病过程、推动疾病建模、药物筛选和再生医学等领域的发展具有重要意义。

  2. 生物打印方法的多样性:文章介绍了多种类器官生物打印方法,包括挤压式打印、点选式打印和体积打印等。每种方法都有其独特的优势和适用场景,如挤压式打印适用于大规模组织结构的快速制造,点选式打印则能够实现不同细胞类型的精确空间定位。

  3. 生物墨水和支撑浴材料的关键作用:生物墨水的选择直接影响打印过程的稳定性和打印后组织的生物相容性及功能表现。支撑浴材料则为打印过程中的组织结构提供必要的支撑,帮助维持其形状和结构完整性。文章强调了开发适合不同组织类型的生物墨水和支撑浴材料的重要性。

  4. 类器官生物打印技术的应用前景:该技术在疾病建模方面能够更准确地模拟人体器官的病理过程;在药物筛选中,可以提供高通量、高仿真的药物测试平台,提高药物研发的效率和准确性;在再生医学领域,有望实现受损器官的修复和再生,为患者带来新的治疗希望。

  5. 面临的挑战与未来研究方向:尽管类器官生物打印技术取得了显著进展,但仍存在一些挑战,如细胞在打印过程中的存活率和功能维持问题、不同组织类型类器官的力学特性和生物相容性差异等。未来的研究需要进一步提高打印精度和细胞存活率,开发更加适合不同组织类型的生物墨水和支撑浴材料,并探索该技术在个性化医疗和精准医疗中的应用潜力。

这项研究通过深入探讨类器官生物打印技术的发展现状、关键技术和应用前景,揭示了其在生物医学领域的重要价值与意义。类器官生物打印技术能够精确控制细胞或类器官的空间排列,构建出结构复杂、功能多样的三维组织模型,为模拟人体器官的发育和疾病过程提供了更为真实可靠的体外平台。这不仅有助于深入理解器官的生理和病理机制,推动基础医学研究的发展,还为疾病建模、药物筛选和个性化医疗等领域带来了革命性的变革。通过该技术,可以实现高通量、高仿真的药物测试,提高药物研发的效率和准确性,加速新药上市进程;同时,也为再生医学提供了新的思路和方法,有望实现受损器官的精准修复和功能重建,为患者带来新的治疗希望。此外,该研究还指出了当前技术面临的挑战和未来的发展方向,为后续科研工作提供了明确的指引,具有重要的指导意义和广阔的应用前景。

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  4. 推动生物材料和工程技术在干细胞与类器官领域的应用与发展。

  5. 推动技术进步,推动类器官技术与产品在临床与基础研究中的规模化应用。

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