SWIFT 3D生物打印引领着人工生长的人体器官的道路[视频]

培养12小时后（左），没有SWIFT印刷通道的组织在其核心细胞中显示出细胞死亡（红色），而具有通道的组织（右）则具有健康的细胞。

牺牲性墨水书写技术可对大型的血管化人体器官构造块进行3D打印。

在美国，每天有二十人在等待器官移植而死亡，尽管现在每年进行30,000多次移植，但目前有113,000多名患者在器官候补名单上。人工生长的人体器官被许多人视为解决这一器官短缺的“圣杯”，而3D打印技术的进步已导致使用该技术构建人体器官形状的活体组织构造的热潮。但是，迄今为止，所有3D打印的人体组织都缺乏用于器官修复和置换所需的细胞密度和器官水平功能。

现在，由哈佛大学怀斯生物启发工程研究所和约翰·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的研究人员创造的一项称为SWIFT（牺牲性写入功能组织）的新技术克服了这一主要障碍，方法是将血管通道3D打印到由干细胞衍生的器官构件（OBB）组成的活体基质，可产生具有活力的器官特异性组织，具有高细胞密度和功能。该研究在《科学进展》上有报道。

Wyss研究所的研究助理，第一作者，第一作者Mark Skylar-Scott博士说：“这是组织制造的全新范式。”“ SWIFT并未尝试对整个器官的细胞进行3D打印，而是仅打印支持包含大量OBB的活组织构建体所必需的血管，而该组织最终可用于治疗，以通过实验室修复和替换人体器官-包含患者自己细胞的生长版本。”

活的类胚体围绕使用SWIFT方法印刷的空心血管通道。

SWIFT涉及两步过程，首先将成千上万个干细胞来源的聚集体形成密集的OBB活性基质，每毫升包含约2亿个细胞。接下来，通过书写和去除牺牲墨水，将氧气和其他营养物质可以通过其传递到细胞的血管网络嵌入基质中。“由这些OBB形成致密的基质会用一块石头杀死两只鸟：它不仅获得了类似于人体器官的高细胞密度，而且基质的粘度还使得能够在其中印刷遍及可灌注通道的广泛网络来模仿Wyss Institute和SEAS的研究助理SébastienUzel博士说。

SWIFT方法中使用的细胞聚集体源自成人诱导的多能干细胞，将其与定制的细胞外基质（ECM）溶液混合，制成可通过离心压紧的活体基质。在低温（0-4 C）下°，致密的基质具有蛋黄酱的稠度-足够柔软，可以在不损坏细胞的情况下进行操作，但又足够厚，可以保持其形状-使其成为牺牲3D打印的理想介质。在此技术中，细喷嘴穿过该基质，沉积出一串明胶“墨水”，将墨水推向不妨碍细胞的方向。

当将冷基质加热到37°C时，°它会变硬以变得更牢固（就像煮熟的煎蛋卷一样），而明胶墨水会融化并可以洗掉，留下了嵌入组织构造中的通道网，可以用含氧培养基可滋养细胞。研究人员能够将通道的直径从400微米更改为1毫米，并无缝连接它们，从而在组织内形成分支的血管网络。

使用SWIFT印刷有嵌入的血管通道并以这种方式灌注的器官特异性组织仍然可以存活，而没有这些通道的组织生长的组织在12小时内在其核心中经历了细胞死亡。为了查看这些组织是否显示出特定于器官的功能，研究小组将分支通道的结构打印，疏散并灌注到一个由心脏衍生细胞和流过通道的介质组成的矩阵中，持续了一周以上。在此期间，心脏OBB融合在一起，形成了一个更坚固的心脏组织，其收缩变得更加同步，强度超过了20倍，模仿了人类心脏的关键特征。

红色的，基于明胶的“墨水”通道的分支网络通过薄喷嘴模拟器官脉管系统，被3D打印到由数百万个细胞（黄色）组成的活体心脏组织构造中。

“我们的SWIFT生物制造方法在创建从OBB到大规模的器官特异性组织方面非常有效，其范围从原代细胞的聚集体到干细胞衍生的类器官，”核心作者之一的作者Jennifer Lewis，Sc.D.说。曾在Wyss研究所任教，并在SEAS担任了HansjörgWyss生物启发工程学教授。“通过将干细胞研究人员的最新进展与我实验室开发的生物打印方法相结合，我们相信SWIFT将极大地推动全球器官工程领域的发展。”

正在与Wyss Institute教职员工Chris Chen，医学博士，博士进行合作。作为由Lewis和Chris Chen牵头的3D器官工程计划的一部分，美国波士顿大学的麻省理工学院的Sangeeta Bhatia博士和美国的Sangeeta Bhatia博士将这些组织植入动物模型并探索它们的宿主整合。

Wyss研究所创始董事Donald Ingber博士说：“能够通过血管通道支持活的人体组织是朝着在体外创建功能性人体器官的目标迈出的一大步。” HMS的血管生物学教授，波士顿儿童医院的血管生物学计划和SEAS的生物工程学教授。“我们对詹妮弗实验室的成就（包括这项研究）继续印象深刻，最终有可能显着改善器官工程和自身器官衰竭患者的寿命，”

该论文的其他作者包括哈佛大学Wyss研究所和哈佛SEAS的当前研究生John Ahrens，以及前Wyss研究所和哈佛SEAS的成员Lucy Nam，Ryan Truby博士和Sarita Damaraju。这项研究得到了海军研究室Vannevar Bush教研室，美国国立卫生研究院，GETTYLAB和哈佛大学Wyss生物启发工程研究所的支持。

参考：Mark A. Skylar-Scott，Sebastien GM Uzel，Lucy L. Nam，John H. Ahrens，Ryan L. Truby，Sarita Damaraju和Jennifer A. Lewis所著的“具有高细胞密度和嵌入的血管通道的器官特异性组织的生物制造” 2019年9月6日，《科学进展》杂志。
10.1126 / sciadv.aaw2459