生物3D器官打印——腸道體外模型

近幾年，隨著對實驗倫理的逐漸重視，盡量避免不必要的動物實驗已成為許多實驗室制定實驗方案的標(biāo)準(zhǔn)之一。同時，為了保證實驗數(shù)據(jù)的真實、準(zhǔn)確及充足，使用動物以外的體外模型開始為人們所重視。然而直到目前，標(biāo)準(zhǔn)化的操作方案依舊稀缺，這使得廣大的科學(xué)工作者缺乏既定規(guī)范，進而拖慢實驗進度，實驗結(jié)果也無法被廣泛接受。
 
另一方面，盡管針對于毒性測試的真皮模型已經(jīng)得到驗證，但對于與藥物吸收相關(guān)的器官諸如肺、腸等的報道仍然缺乏。
 
在此背景下，伍倫貢大學(xué)副教授Jeremy Micah Crook在其主編的3D Bioprinting一書第13章中，就使用3D打印機構(gòu)建腸道（除此以外還包括肺泡和支氣管）體外模型制定了詳細、全面的規(guī)程（Protocol），為廣大科研工作者提供方案參考。 
 
 
Fig.1 3D Bioprinting第13章
 

章節(jié)作者Manuela等人選用Caco-2腸上皮細胞系作為腸體外模型的細胞原料。該細胞系源自結(jié)腸癌，在培養(yǎng)過程中經(jīng)過自發(fā)分化，成為了具有形態(tài)學(xué)表達和功能特征的成熟腸上皮細胞。為了使細胞能夠得到良好的附著，規(guī)程建議先打印一層細胞基底。而膠原蛋白I型作為哺乳動物體內(nèi)最常見的蛋白質(zhì)，被規(guī)程推薦作為細胞基底材料。
 
打印設(shè)備的選擇往往是生物3D打印過程的關(guān)鍵，優(yōu)秀的設(shè)備不但能夠滿足科研工作者的要求，還能額外減少工作負擔(dān)、提升工作效率。為保證實驗過程的可靠性和通用性，作者選用了瑞士公司regenHU所生產(chǎn)的生物3D打印機——3D Discovery™（配原廠生物安全柜款）。同時，為保證細胞在打印過程中的活性，同時選購了3副regenHU細胞親和性打印頭（CF-300N）和細胞攪拌器。通過在細胞親和性打印頭上配備微型閥，能夠最大程度降低傳統(tǒng)噴墨打印中切向力對細胞造成的傷害，從而實現(xiàn)最高達95%的細胞存活率。細胞攪拌器則能夠防止長時間打印過程中的細胞在料倉中沉淀。于此同時，3D Discovery™隨機配備的生物安全柜能夠保證實驗全程的無菌環(huán)境，與打印機配套的人機交互軟件HMI、建模軟件BioCAD™則給科研工作者提供了穩(wěn)定、全方面的儀器使用體驗。
 


 
 
Fig.1 a) 3D Discovery™儀器主體，包括生物安全柜、主機、人機交互軟件 (HMI); b) 打印頭，包括3副細胞親和性打印頭、1副傳統(tǒng)氣動擠壓打印頭、墨盒冷卻配件、細胞攪拌器等。
 
在規(guī)程的最后，作者也提供了許多表征方法，如乳酸脫氫酶測定細胞成活率、跨膜組織測定上皮組織貼片是否形成、細胞染色并進行共聚焦成像確認細胞形態(tài)等，詳細的方法在書中均有詳細介紹。
 
 
Fig.2 使用DAPI和鬼筆環(huán)肽分別對細胞核（青色）和纖維狀肌動蛋白（洋紅）進行染色后使用共聚焦顯微鏡成像
 

詳細的步驟和內(nèi)容為正要和即將進行類似實驗的科研工作者提供了便利，正如作者所言，該規(guī)程對于高通量的藥物毒性篩選和藥物藥效評價非常有效。但另一方面，該規(guī)程提供的案例仍然停留在單層細胞層面，具有厚度的組織貼片乃至完整的組織打印仍然需要不斷的嘗試，而這也是regenHU生物3D打印機的目標(biāo)。
 
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參考文獻：
[1] Estermann M., Bisig C., Septiadi D., Petri-Fink A., Rothen-Rutishauser B. (2020) Bioprinting for Human Respiratory and Gastrointestinal In Vitro Models. In: Crook J. (eds) 3D Bioprinting. Methods in Molecular Biology, vol 2140. Humana, New York, NY. https://doi.org/10.1007/978-1-0716-0520-2_13