欢迎关注类器官前言（沿）进展，第一时间了解类器官领域（生物学、癌症生物学、人工智能、材料学、仿生学）的新进展
本文由宾夕法尼亚州立大学帕克分校生物医学工程系的科研人员11月21日在线发表于Nature Communications杂志。原文衔接请点击文章最后的阅读原文。
用于可扩展组织制造的球体高通量生物打印
文章创新点
论文设计了HITS-Bio（用于生物打印的高通量集成组织制造系统），这是一种独特的生物打印技术，解决了现有球状生物打印技术的关键限制。其创新亮点包括：
1. 高通量和速度：
HITS-Bio 能够使用数控喷嘴阵列 (DCNA) 同时定位多个球状体，速度比现有方法快大约十倍。与基于挤压或抽吸辅助的生物打印等技术相比，这种能力使其具有显著的可扩展性。
2. 高细胞活力和可扩展性：
该系统在快速制造可扩展的组织结构（包括软骨和骨骼）的同时，保持了 90% 以上的细胞活力，例如，在 40 分钟内即可完成 1 cm³ 大的结构。
3. 精确的空间排列：
与以前的方法不同，HITS-Bio 可以精确控制球体的空间排列和密度，这对于模拟天然组织结构和增强细胞相互作用至关重要。
4. 创新应用：
这是第一个使用 miRNA 转染球体成功实现术中生物打印 (IOB) 治疗严重骨缺损的平台。该系统在大鼠颅骨模型中实现了近乎完全的缺损闭合，凸显了其临床应用潜力。
5. 增强功能生物墨水：
该研究引入了专门的生物墨水（例如用于骨骼的 BONink 和用于软骨的 CARink），可增强可打印性、细胞基质相互作用和针对特定组织工程需求量身定制的机械性能。该论文通过解决产量、精度和可扩展性的限制，同时确保高细胞活力和功能性组织结果，推动了该领域的发展。这使得 HITS-Bio 成为组织工程和再生医学的变革工具。
文章解析
背景
三维 (3D) 生物打印彻底改变了组织工程，提供了对细胞放置的精确空间控制，这对于复制组织的天然结构和功能至关重要。然而，目前的方法往往面临诸如低通量、有限的可扩展性和由于剪切应力或受限的生物墨水特性而导致的细胞活力受损等挑战。组织球体，具有高细胞密度和类似天然微环境的细胞聚集体，提供了一种有希望的解决方案。尽管它们具有潜力，但现有的球体生物打印技术在速度、可扩展性和精度方面存在困难，限制了它们的临床和研究应用。本研究引入了HITS-Bio（用于生物打印的高通量集成组织制造系统）来解决这些限制。
技术方法
HITS-Bio 系统是一个高通量平台，包括：
1. 数字控制喷嘴阵列 (DCNA)：促进多个球体的同时操作和精确的空间放置。
2. 定制生物墨水：BONink（骨生物墨水）和CARink（软骨生物墨水）支持球体沉积，增强机械性能，促进组织特异性分化。
3. 自动化和实时控制：利用定制软件界面和高精度运动控制，实现快速准确的生物打印。
4. miRNA转染的球体：结合miRNA转染的人类脂肪干细胞（hADSC），将球体预先定向为成骨或软骨谱系，针对特定应用进行定制。
结果
1. HITS-Bio 的工作机制和特性
该系统展示了以前所未有的速度同时吸入和沉积球体，比现有方法快十倍。位置误差最小化到 5% 以下，确保空间模式的高精度。生物墨水能够有效封装球体，同时保持结构完整性和高细胞活力。
2. 体外骨组织制造
使用 miRNA 转染的 hADSC 球体，在低密度（16 个球体）和高密度（64 个球体）下体外生物打印骨结构。成骨标志物（RUNX2、BMP-4、COL1、OSTERIX 和 BSP）表现出显着上调，高密度结构显示出高级矿化和基质形成。
3. 术中生物打印用于骨再生
该系统在颅骨缺损严重的大鼠模型中进行了测试。HITS-Bio 成功在术中生物打印了球体，实现了：缺损接近完全闭合（3 周时为 91%，6 周时为 96%）。与对照组相比，骨矿物质密度 (BMD) 和骨体积与总体积比 (BV/TV) 增强。组织学分析显示膜内骨化，与天然骨发育一致。
4. 可扩展软骨结构的制造
使用 CARink 和 miRNA 转染的球体制造了体积软骨结构 (1 cm³)。结构显示出 >90% 的细胞活力、显著的细胞外基质 (ECM) 沉积和软骨标志物表达 (ACAN、COLII)。生物打印结构的压缩模量经测量为 116.8 ± 22.1 kPa，表明其具有强大的机械性能。
讨论
HITS-Bio 代表了基于球体的生物打印的重大进步，解决了速度、可扩展性和精度等主要挑战。它能够同时对多个球体进行生物打印，从而能够在临床相关的时间范围内制造复杂的组织结构。通过将 miRNA 转染的球体与定制的生物墨水相结合，该系统可促进组织特异性分化和功能性 ECM 生成。此外，已证明的术中生物打印能力表明其在现实世界中具有适用性，特别是在再生医学和个性化治疗领域。
研究的局限性
1. 球体尺寸限制：
当前设置针对 300-350 µm 范围内的球体进行了优化。调整较小或较大的球体需要修改喷嘴设计和间距。
2. 生物墨水多功能性：
虽然 BONink 和 CARink 是有效的，但对其他组织类型或更复杂的生物墨水配方的更广泛适用性仍未经测试。
3. 动态压力控制：
依赖基于摄像头的反馈，而不是动态压力传感，可能会限制某些球体类型或应用的适应性。
4. 体内验证：
虽然在大鼠中表现出了有希望的结果，但还需要进一步研究来评估该系统在大型动物模型或人类中的表现。
5. 可扩展性：
扩大喷嘴阵列并加入可调节高度的喷嘴可以进一步增强非重复图案和更大构造的多功能性。
本文将 HITS-Bio 确立为高通量、可扩展组织制造的变革性平台，为推进 3D 生物打印技术及其临床转化奠定了坚实的基础。然而，解决其当前的局限性将是充分发挥其在各种生物医学应用中的潜力的关键。
往期精选回顾：
1. Nature Genetics--肿瘤类器官与T细胞共同培养---验证碱基编辑筛选确定癌症药物耐药机制的遗传图谱
2. Nature重磅！！！---新的毛发皮肤类器官模型---评估了免疫细胞在血管发育和伤口愈合中的作用
3. 升级的前列腺类器官移植模型---Nature cancer--前列腺癌的神经内分泌转变是动态的
4. 重要突破！！可长期培养的胶质母细胞瘤类器官---Cancer Discovery---重现了细胞状态异质性和细胞间转移
5. 重要突破！！可长期自我维持的上皮类器官---Nature Genetics----上皮类器官揭示了食管上皮克隆扩增的驱动因素
微信交流群（请扫描群主二维码，经验证后邀请入群，添加时请注明单位姓名等信息，申请入群群体：投资人，技术与研发人员，科研和医疗机构工作者，企业实控人，高校老师和学生等等一线研究人员）
星球号二维码
