利用原代细胞和3D生物打印技术打印皮肤组织模型

引言

皮肤是我们与外部环境的第一个也是主要的界面，是极具吸引力的再生器官，并且在过去40年中科学家们对其进行了大量探索（Loai，2019; Tarassoli，2017）。 部分原因是皮肤组织模型的广泛应用领域，从药物筛选到化妆品测试以及伤口愈合研究，部分原因是皮肤组织的组成相对简单，可以分为两层，每层具有一类主要的细胞类型 这种简单构成意味着过去已经建立几个2D模型和培养系统。 但是，这些模型无法完全概括天然皮肤，并且缺乏3D模型提供的空间组织（Loai，2019; Singh，2020; Vijayavenkataraman，2016）。 为了增加物理相关性并增强体外结果与体内条件的可翻译性，迫切需要以3D方式调制皮肤组织模型。

在开发用于构建3D皮肤模型的不同技术中，生物打印制造方法在克服与组织建模有关的挑战方面已显示出广阔的前景（Pati，2016; Singh，2020），由于使研究人员能够精确地模拟所需的结构，并根据需要自由地结合不同的细胞和材料。 关键是要使用合适的基质配方，以便打印出稳定的三维结构，支持细胞增殖和迁移，同时确保结构的稳定性和机械完整性 (Tarassoli, 2017; Vijayavenkataraman, 2016)。

在3D生物打印中，天然和合成生物材料相结合形成可打印的生物墨水。 天然生物材料的好处是可以减轻环境对细的影响，而合成生物材料具有更好的机械性能（Murphy，2014年）。 3D生物打印中使用的两种最常见的天然生物材料是明胶和胶原蛋白。 胶原蛋白是人体中最丰富的蛋白质，是细胞外基质（ECM）的关键角色，可促进出色的细胞通讯（Kular，2014年）。 但是，纯胶原蛋白很难处理，因为必须将其保持在4°C或酸性以避免固化。

明胶，源自胶原蛋白，所以保留了胶原蛋白的一些细胞特征，但具有在室温下为固体而在体温下为液体的化学优势。甲基丙烯酸明胶（GelMA）是一种可印刷的生物墨水，可在27°C下使用光进行交联，从而诱导甲基丙烯酸酯基团之间形成共价键。 与甲基丙烯酸酯基团的交联性的相同特征也可以添加到胶原蛋白中。 但是，甲基丙烯酸胶原蛋白（ColMA）仍需要在4°C下处理以避免固化。 这项研究中使用的GelXA生物墨水是由CELLINK开发的基于GelMA的生物墨水配方，旨在扩大GelMA的可印刷性范围，并易于形成复杂的3D结构。要了解有关不同生物材料和生物墨水特性的更多信息，请查看我们的生物墨水选择指南手册或访问我们的网页。

在这项研究中，我们旨在使用BIO X生物打印机打印出具有真皮和表皮的全厚度皮肤组织模型，GelXA SKIN生物墨水用于真皮，ColMA生物墨水用于表皮。在GelXA皮肤上，真皮的3D结构被牢固地生物打印出来 ，而ColMA的固有特性可以形成薄而丰富的表皮层。 在真皮中，重点是评估ECM的产生，特别关注1型胶原的产生，因为它是天然真皮的主要蛋白质。

对于表皮，选择了三种分化标记：用于增殖性角质形成细胞的角蛋白14（K14），用于区分角质形成细胞的角蛋白10（K10）和作为凝集层标记的丝聚蛋白。 天然皮肤的表皮具有明确的分化过程，其中附着在真皮上的增生角质形成细胞在皮肤最外层变成角质细胞（角质化角化细胞）（Eckhart，2013）。 在此角质化过程的不同层中，表达了特异性分化标记（图1）。 为了评估表皮的发育，我们选择评估指示标记的表达。

图1.天然表皮的成角过程（Eckhart，2013年）。

材料和方法

细胞准备

皮肤组织模型中使用了两种细胞：少年正常人皮肤成纤维细胞（NHDF，C-12300，PromoCell）和少年正常人皮肤表皮角质形成细胞（NHEK，C-12001，PromoCell）。 按照PromoCell的扩增方案（NHDF，NHEK）对细胞进行2D扩增后再进行生物打印，并分别用于第6-7代（NHDF）和第3代（NHEK）。 NHDFs在添加有生长培养基SupplementMix（C-39315，PromoCell）的成纤维细胞生长培养基（C-23010，PromoCell）中培养，而NHEK在PromoCell的角质形成细胞生长培养基的发育配方中与培养基SupplementMix（C-97294， PromoCell）； 两种培养基均添加了1％的抗生素-抗真菌药（Gibco，100x）。

皮肤组织模型的生物打印

皮肤组织模型被设计为真皮篮，其实心底层上覆有两个网格层和6层高帽檐（图2）。 这是为了促进种子后表皮的包裹。 用GelXA SKIN（CELLINK，Ref＃IK3X21110301）对皮肤篮子进行生物打印。 简而言之，收集了5.7 x 106 NHDF，旋转并重组为250 µL细胞悬液，然后将其小心地混入2.5 mL GelXA SKIN中，预热至37°C，然后转移到琥珀色滤芯中（CELLINK，参考编号CSO010311502）。为了除去残留的气泡，将带有嵌入式NHDF的GelXA SKIN滤芯在460G下离心1分钟。 然后，在开始打印会话之前，将墨盒安装在温度控制的打印头（CELLINK，参考号＃00000020346）上，然后在准备好的BIO X生物打印机中温度设置成24°C，持续10分钟。

进行该步骤需要将GelXA生物墨水的温度平衡到24°C，这是适用于复杂结构的GelXA生物墨水的合适生物印刷温度。

然后真皮篮在24°C下用温控打印头以4至5 mm / s的速度，20至40 kPa的压力在12孔板中对进行生物打印，并将BIO X的打印床设置为 14℃。 然后先用405 nm光固化模块在高于构造物5厘米处用405 nm光固化模块将12个重复的真皮篮光固化15秒（每个构造物），然后浸入交联剂（CELLINK，参考号CL1010006001）中，并补充10 U / mL凝血酶5分钟。 然后将皮篮用成纤维细胞生长培养基洗涤一次，并在添加表皮之前与成纤维细胞生长培养基孵育（37°C，5％CO2）1小时。

图2.培养14天后的3D生物打印模型的示意图，侧视图（左）和顶视图（中）以及生物打印的皮肤组织模型的图像（右）。

表皮的添加

对于表皮，使用ColMA（CELLINK，参考号IK4501022001）和NHEK的混合物。简而言之，将12 x 10⁶ NHEK（每个皮肤篮1 x 10⁶）重构为240 µL细胞悬液，并与240 µL ColMA（8 mg / mL，终浓度4 mg / mL）混合。将重构的ColMA置于冰上，直到将其添加到真皮结构中。从真皮篮中取出成纤维细胞培养基，并在每种真皮构建体的顶部添加40 µL表皮生物墨水-细胞混合物。在光固化30秒（405nm，距构建体5cm的距离）之前，将构建体在台式上放置15分钟以沉降。然后将样品以10G离心10秒，再光固化30秒。这是为了增强表皮和真皮之间的接触。然后将皮肤组织模型浸没在角质形成细胞生长培养基中，并在37°C，5％CO₂下孵育6天，然后转移至气液界面培养物中。通过将构建体转移到补充有合适体积的角质形成细胞生长培养基的transwell插入物中来建立气液界面（图3）。每2至3天更新一次培养基。

图3. A）生物打印的真皮篮子。 B）3D生物打印的皮肤组织模型转移到Transwell插入物中。 C）从皮肤组织模型的浸没培养到气液界面培养的转移的图示。 

分析

结果与讨论