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作 者

周珍珍、劉暢如、郭育廷、龐媛、孫偉

機 構

清華大學

Citation

Zhou Z Z, Liu C R, Guo Y T, Pang Y, Sun W. 2024. Engineering vascularized organotypic tissues via module assembly. Int. J. Extrem. Manuf.6012006.

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/acfcf2

撰稿 | 文章作者

文章導讀

構建器官型組織模型在組織發育、疾病進展、藥物測試和病原體感染的基礎研究及轉化研究中發揮著核心作用，而充分的血管化是復雜器官型組織模型成功構建和臨床實施的關鍵決定因素。目前，由于細胞和血管密度低、血管成熟度不足，導致器官型血管化組織構建困難，極大地限制了其在組織工程和再生醫學中的應用。為了解決這些局限性，最近的研究采用了預血管化多細胞模塊組裝來快速生成具有致密血管網絡和高細胞密度的功能組織類似物。清華大學機械工程系生物制造中心團隊的龐媛副研究員在SCI期刊《極端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上發表《基于多細胞模塊組裝的器官型血管化組織構建》的綜述，系統介紹了基于多細胞模塊組裝的器官型血管化組織構建技術，其在組織修復與再生、器官級組織生物制造、高級組織建模等方面的應用進展（圖1），及該研究領域的挑戰和前景。

關鍵詞

器官型血管化組織；多細胞模塊組裝；再生醫學；組織工程

亮 點

• 總結了用于3D器官型血管化組織構建的多細胞模塊組裝方法；

• 解決了通過不同技術構建器官型組織的關鍵問題；

• 模塊組裝具有高細胞密度、高級功能等優勢。

圖1多細胞模塊血管化方法和預血管化模塊組裝的潛在應用。

研究背景

血管系統在物質運輸、組織或器官外通訊、疾病進展及藥物治療等過程中發揮著重要作用，因此迫切需要開發一種方法來構建器官型血管化組織，以再現體內的細胞密度和器官級功能。現有的三維血管化組織構建方法都有一個共同特點，即以單個細胞為基本活性模塊，在有或沒有加入材料的情況下構建三維模型，即"細胞組裝"。這些“細胞組裝”方法具有細胞密度低、細胞排布無序、無血管系統等問題，阻礙了組織的長期存活和器官級功能的形成。近期，新的模塊組裝（MoA）方法（即“多細胞微組織模塊組裝”）被提出用于構建三維器官型血管化組織（圖2）。該方法采用含多個細胞的微組織作為基礎模塊，用于組裝成復雜且先進的三維結構體，具有多功能性、靈活性和可擴展性等特點，彌補了目前器官型血管化組織構建技術之間的不足，促進下一階段組織工程和再生醫學的發展。MoA方法構建的器官型血管化組織具有更好的仿生性，在藥物評估中具有更高的保真度，可用于多種基礎和轉化研究。

圖2不同建模途徑的特點，包括基于細胞和基于微組織的組裝。(a) 與基于細胞或無血管微組織的組裝方法相比，預血管化MoA可快速生成具有高細胞密度、組織良好的微結構和完整脈管的增尺寸功能組織替代物。(b) 構建血管化器官型組織的可行路徑和時間段。

最新進展

本綜述主要介紹了不同類型微組織模塊的制備、MoA技術和模式、模塊預血管化策略、及預血管化MoA的應用，包括組織修復和再生、器官級組織構建以及高級組織建模。

組織模塊的制備和組裝

組織模塊的種類用于構建器官型結構的模塊包括無支架和基于支架的微組織（圖3）。無支架微組織可能以細胞團簇（也稱為細胞球或類器官）的形式呈現，通常采用特殊的培養設備來制備。基于支架的微組織可能是采用冷凍干燥或微滴乳化制備的載細胞多孔微球，或是通過液滴微流控或生物打印制備的實心微膠。與主要依賴生物材料的傳統組織工程方法不同，基于MoA方法構建的主要成分是純細胞，加入材料主要是用于初始結構支持和細胞團簇快速融合，因此材料的選擇標準一般包括生物相容性、可降解性和溶膠-凝膠態可轉變性等。

圖3不同類型的預血管化MoA及其應用。(a) 無支架或基于支架的組織模塊的制備。(b) 用于組裝的組織模塊包括細胞團簇、含細胞的微球和含細胞的微凝膠。(c) 預血管化MoA的應用包括組織修復和再生、器官級組織的生物制造以及先進的組織建模。

用于MoA的技術用于MoA的技術可分為設備輔助、微流控輔助和生物打印輔助（圖4）。典型的設備包括微孔板、微室、微管、旋轉或振蕩生物反應器、懸滴，利用外力或狹小空間迫使組織模塊隨機接觸和融合。微流控系統為操控類器官融合提供了一種靈活和可擴展的方法。生物打印使得在各種尺度上操控模塊成為可能，常見策略包括擠出、抽吸、聲控和磁控等。

圖4MoA技術。(a) 微板輔助隨機模塊融合方法。(b) 用于半隨機模塊融合的液滴輔助方法。(c) 微流體輔助的無序或半有序MoA和可擴展組織制造方法。(d) 用于隨機或半隨機MoA和大規模組織制造的擠出生物打印輔助方法。(e) 用于定向MoA和大規模組織制造的抽吸式生物打印輔助方法。

不同應用下的MoA模式根據模塊數量，組裝可分為二元、三元和多元融合模式（圖5）。根據模塊類型不同，組裝也可分為同型或異型融合模式。目前，通過不同的組裝模式，可以發展出不同類型的器官型組織，包括多器官系統、器官級組織和復雜組織模型。多器官系統的構建，可以通過融合不同器官或組織來源的組織模塊，在創造相對的物理隔離的同時實現直接的細胞間通訊。多器官系統為腫瘤侵襲機制、組織發育、器官間功能控制等研究提供了有力工具。具有不同大小、形狀和形態的組織模塊可組裝用于復雜、分層和宏觀結構的構建。

圖5用于各種應用的MoA格式。(a) 通過整合腹側和背側類器官生成前腦回路的示意圖。(b) 通過生成視網膜-大腦裝配體重建視覺通路的策略。(c) 組裝 "多類器官團簇"模塊以重現分枝管狀器官分層設計的示意圖。(d) 通過類器官生物打印再現宏觀組織自組裝的策略。

組織模塊的預血管化策略血管系統作為器官型組織的結構基礎，必須能夠及時形成，從而參與和促進組織生長發育及器官特異性功能的形成。內皮細胞是血管的關鍵細胞成分，應被納入血管化器官型結構。常見的策略是將實質細胞與血管內皮細胞/祖細胞共培養用于制備預血管化模塊；另一種策略則是將預先建立的實質模塊和內皮模塊共培養。

預血管化MoA用于高級組織工程和再生醫學

組織修復與再生通過功能細胞移植或組織貼片進行細胞治療手段是治療非再生疾病相關缺陷的潛在策略。使用預血管化組織模塊進行移植可能提高細胞治療的效果（圖6）。在心肌缺損治療中，預血管化模塊可用于改善心肌貼片的治療效果，也可用于在體外構建血管化組織，為心血管疾病藥物篩選提供可靠模型。在骨骼肌組織缺損治療中，組織模塊的塑性變形特性使得注射進入損傷部位成為可能。在骨組織修復中，將治療細胞添加到預血管化的組織模塊中可以實現有效的遞送并優化修復效果。此外，MoA策略也被用于治療其他非再生疾病，如糖尿病并發癥和外周動脈疾病。

圖6用于組織修復和再生的預血管化MoA。(a) 早期血管細胞(EVC)球改善了3D打印厘米級心臟組織的血管化。(b) 由含有 C2C12 的微球和含有 HUVEC 的微管組成的復合微組織改善了小鼠的成肌性能。(c) 由含 hBMSC 和 HUVEC 的微球組成的混合微組織可增強小鼠的骨樣再生能力。(d) 結合成骨和血管生成微凝膠的混合結構體支持臨界尺寸缺損的骨再生。(e）通過移植微型血管化胰島，在體內快速誘導功能性血管網絡。

器官級組織構建通過組織工程構建人造器官具有廣闊的應用前景。然而，為治療目的創建和維持致密的細胞結構（>108個細胞/毫升）是極其困難的。使用預血管化MoA方法可以獲得具有所需細胞密度、微觀結構和功能的組織（圖7）。結合犧牲生物打印和MoA，可快速構建治療所需的可灌注心臟組織。結合人造軟性三維毛細血管網絡和類器官MoA，可構建高度復雜的毫米級組織結構。結合全細胞生物墨水打印和數十億人體細胞的發育，可快速制造器官級組織。

圖7用于生物制造器官級組織的預血管化MoA。(a) 組織模塊構成的活基質中通過“犧牲寫入功能組織（SWIFT）”打印內皮化分叉通道，構建可灌注全細胞組織。(b) 人多能干細胞（hPSC）球在帶有軟性微流體毛細管網格的3D打印芯片上培養時融合成實體組織。(c) 團簇型生物墨水的打印和后續分化原理。

高級組織建模高效再現高度復雜的體內環境和血管介導的細胞-細胞和細胞-環境相互作用仍是3D組織模型構建的一個主要挑戰。研究人員正越來越多地使用MoA來制造復雜的血管化器官型組織（圖8）。基于MoA的3D腫瘤模型可以模擬腫瘤微環境，也可用于研究抗腫瘤治療的藥代動力學，為個性化治療提供輔助診斷工具。病毒感染相關的神經營養病理學模型是MoA的另一應用方向。

圖8用于高級組織建模的預血管化MoA。(a) 重現人尿道癌病理生理學的組織裝配體的生成。(b) 構建基于內皮化團簇的腫瘤模型的原理及其在增尺寸組織制造和藥物篩選中的應用。(c) 微型腫瘤和基質細胞（包括內皮細胞）通過微流控設備組裝成一個巨大的三維血管化腫瘤模型。(d) 構建血管-皮層裝配體的原理，通過該原理我們可以觀察血管穿透和神經元萌發。

未來展望

與傳統的血管化組織生物制造方法相比，利用多細胞微組織作為基本模塊已成為一種新策略，可快速生成細胞密度高、微結構有序、血管完整的功能性組織替代物。通過構建多器官系統、器官級組織以及先進的組織模型，這些特點極大地促進了 MoA在組織工程和再生醫學中的應用。此外，其組裝的靈活性和可擴展性還可根據形狀、大小和細胞類型構建同質或異質組織，從而擴大了應用范圍。雖然MoA方法在研究器官級生物活動方面邁出了前所未有的一步，但仍有幾個問題有待解決，包括預血管路徑標準化、提高血管質量、培養方案的標準化、檢測方法和平臺的匹配。

作者簡介

龐 媛

清華大學

龐媛，清華大學機械系副研究員，日本東京大學客員研究員，北京市科技新星，2020 Lush Prize青年科學家獎獲得者。現任中國環境誘變劑學會毒性測試與替代方法專業委員會委員，中國醫藥生物技術協會3D打印技術分會委員，解剖學會血管分會委員。長期從事生物制造領域相關工作，聚焦于功能性器官組織的體外3D打印構建及藥毒評價研究。主持國家自然科學基金面上等國家級項目3項、北京市自然科學基金面上等項目3項、日本科學技術振興機構等國際合作交流項目4項，作為主研人參與國家和省部級項目8項。近五年在《Nature Reviews Immunology》《Gut》《Chem Eng J》《Biofabrication》等本領域國內外權威刊物上以第一作者及通訊作者發表SCI論文30余篇，獲6項國家發明專利授權；在三部中英日文學術專著上撰寫獨立章節。擔任國際學會會議分會主席3次，應邀在國際學術會議作主題報告4次，國內學術會議主題報告3次，為領域多部高水平國際期刊擔任審稿人。

周圍神經再生和脊髓損傷修復3D打印支架研究進展

3D printing of functional bioengineered constructs for neural regeneration: a review

doi: https://doi.org/10.1088/2631-7990/ace56c

關于期刊

International Journal of Extreme Manufacturing(中文《極端制造》），簡稱IJEM，致力于發表極端制造領域相關的高質量最新研究成果。自2019年創刊至今，期刊陸續被SCIE、EI、Scopus等20余個國際數據庫收錄。2023年JCR最新影響因子14.7，位列工程/制造學科領域第一。中科院分區工程技術1區，TOP期刊。

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期刊網址：

https://iopscience.iop.org/journal/2631-7990

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撰稿: 作者 編輯：范珂艷 審核：關利超

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