生物3D打印應用：體外骨骼肌藥篩模型

背景
骨骼肌作為人體內(nèi)最豐富的組織器官，在人體各處均有身影，重量更是占到了人體的20 – 50%。得益于豐富的骨骼肌，我們能夠順利完成各種動作，成為“動”物。正因為骨骼肌如此重要，與之相對的疾病——肌肉萎縮對于生活的影響也十分嚴重。同時，缺乏有效的治療藥物也讓該類疾病變得十分棘手。藥物開發(fā)正在進行，然而現(xiàn)行的開發(fā)過程費用高、時間久、成功率低，使得患者不能心理上難以承受長期且不穩(wěn)定的研發(fā)等待。因此為了提高臨床前的藥物篩選效率，3D微生理系統(tǒng)（Micro-physiology systems，MPS）——一種在培養(yǎng)皿上模擬人體生理和疾病效果的技術——逐漸被科研人員所重視。Angela Alave Reyes-Furrer等人便是在此技術上，通過生物3D打印的方式，在體外構建骨骼肌模型，希望能夠用于藥物篩選。

方法
作者使用瑞士regenHU生物3D打印機3DDiscovery的電磁閥噴墨打印頭完成主要的打印工作。相比于經(jīng)典的擠壓打印方式，微型電磁閥噴墨能夠有效減少打印時的剪切力，提高細胞存活率。因使用的基質(zhì)膠（Matrigel）具有低溫流動，高溫凝固的特性，因而在打印機上搭配了水循環(huán)制冷系統(tǒng)，確保打印材料在低溫（＜10℃）環(huán)境下噴出。使用的生物墨水分散有原代人肌肉前體細胞，打印后培養(yǎng)一周形成可收縮、有紋理的肌纖維，即獲得了體外骨骼肌模型。期間可觀察到模型體積縮小，表明肌肉細胞產(chǎn)生拉力（圖1）。 結(jié)果
作者主要進行了刺激反應和收縮力兩方面的測試。
對于刺激反應，作者給予肌肉模型單次電刺激，模型產(chǎn)生了相應的抽搐收縮（圖2）。為了更真實地模擬肌肉工作，作者將單次刺激轉(zhuǎn)為電脈沖系統(tǒng)（Electrical pulse stimulation，EPS），給予連續(xù)3 h的脈沖刺激，證實了白細胞介素-6肌因子（Interleukin-6 myokine）的表達和蛋白激酶B肥大通路（AKT hypertrophy pathway）的激活（圖3）。
對于收縮力，作者從刺激次數(shù)、電流大小、持續(xù)時間等方面進行了考察。分別在25 Hz、300 mA、2 ms下獲得較大的收縮力值（圖4）。隨后的進一步實驗則添加了常見的肌肉收縮促進劑咖啡因（Caffeine）和肌鈣蛋白激活劑Tirasemtiv（Troponin C activator），發(fā)現(xiàn)均能提升肌肉的收縮力（圖5）。 圖5 咖啡因（左）和Tirasemtiv（右）對于肌肉收縮力的提升。統(tǒng)計方法：未配對t檢驗，****p < 0.0001。 作者Angela Alave Reyes-Furrer等人首次在體外使用微生理系統(tǒng)重現(xiàn)肌肉刺激藥物對于運動和收縮力地提升，這一技術非常適合于臨床前的藥物篩選，期待其應用于新型藥物開發(fā)以治療肌肉萎縮。
 
參考文獻
[1] Alave Reyes-Furrer, A., De Andrade, S., Bachmann, D. et al. Matrigel 3D bioprinting of contractile human skeletal muscle models recapitulating exercise and pharmacological responses. Commun Biol 4, 1183 (2021). https://doi.org/10.1038/s42003-021-02691-0