一种新型灌注生物反应器促进了多能干细胞在 3d生物打印组织腔室中的扩增

三维（3D）生物打印技术为创建人体疾病模 型提供了巨大的潜力，可以在体外对疾病机制、 进展和治疗进行器官级研究。生物打印还可以生 成功能性替代组织，用于治疗各种疾病。然而， 人体每个器官都有数十亿个细胞，要获得足够数量的细胞来创建具有代表性的体外组织并非易事 。虽然挤压生物打印的细胞密度通常高于其他打 印方式，但目前通常只能达到每毫升生物墨水数 千万个细胞的规模[1]。目前正在开发使用球体  或胚状体进行无支架生物打印的方法[2-4]，从而提高打印组织的细胞密度。然而，除了自身的一系列局限性（包括球形变异性、可打印性和打印分辨率方面的挑战）外，这些方法仍然需要细胞放大和大容量培养基才能达到生理密度。为了解决工程组织中细胞密度低的问题，人们引入了原位干细胞扩增和分化的生物打印方法[5-11]。在这种方法中，被打印在生物墨水中的是干细胞而不是实质细胞。干细胞在分化成所需细胞类型之前，可在工程组织中扩增。这对涉及增殖或迁移能力有限的细胞类型（如心肌细胞）的应用尤其有益，也可作为使用源自患者的原始细胞的替代方法[5, 12, 13]。这种方法的另一个优点是，在分化过程中形成的关键细胞-细胞、细胞-细胞外基质（ECM）和 ECM-ECM 连接可以保持不变，不会被破坏。这一点非常重要，因为 ECM 组织对工程心脏组织的功能至关重要[14]。此外，在原位分化过程中形成并保存在三维生物打印结构中的微环境可实现人腔肌泵（hChaMP）的组织和心脏功能[5]。使用人类诱导多能干细胞（hiPSCs）打印的hChaMP 是由一种生物墨水生成的，这种墨水含有专门针对 hiPSC 生长和分化为心肌细胞而优化的 ECM。hiPSCs 在心肌细胞分化前增殖两周，从而使结构中的细胞密度更符合生理要求。因此，hChaMP 在整个结构中显示出连续的肌肉功能，这一点可以通过光学绘图和肌肉组织每次收缩时泵送液体的能力来证明。然而，虽然使用干细胞进行生物打印以及随后的扩增和分化是一项很有前景的技术，但由于营养供应不足，hChaMP显示出有限的组织厚度[5]，这是组织工程领域众所周知的问题。营养物质（尤其是氧气）的供应限制了工程组织的厚度，通常只能达到 100-200 微米的存活组织[15]。然而，有了流体流动，就可以通过对流扩大营养物质的获取，从而开发出许多用于工程组织的生物反应器[16, 17]。由于多能干细胞对微环境敏感，而剪切应力已被证明可诱导小鼠干细胞造血[18]，并促进干细胞衍生前体形成内皮细胞[19, 20]，因此在工程组织中对流扩增hiPSC可能会诱发无意分化。相反，许多生物反应器研究表明，利用流体力学扩增干细胞聚集体或微载体，其效力损失有限[21-25]。在此，我们介绍了为hChaMP开发的灌注生物反应器。我们的研究表明，间歇灌注hChaMP可使细胞密度在培养一周后增加近两倍。此外，尽管暴露在剪切应力下，hiPSCs仍能保持多能性，而剪切应力近似低于其他常见的干细胞扩增生物反应器。这些结果表明，扩增的iPSCs分化成所需细胞类型后，有望生成厚组织模型。