今年3月份，哈佛大學(xué)Hans?rg Wyss生物工程教授Jennifer A. Lewis領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種方法，可以用人類干細(xì)胞、細(xì)胞外基質(zhì)和內(nèi)襯血管內(nèi)皮細(xì)胞的循環(huán)通道3D打印出厚實(shí)的血管化組織構(gòu)造，并將活性保持了一個(gè)多月時(shí)間。如今這個(gè)團(tuán)隊(duì)又更進(jìn)一步，3D生物打印出了一個(gè)管狀的3D腎結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠再現(xiàn)腎的功能，從而向著生物打印功能性人體組織和器官又邁進(jìn)了一步。

通過與羅氏制藥公司的科學(xué)家Annie Moisan的密切合作，他們在之前的基礎(chǔ)上構(gòu)建出了一個(gè)功能性的3D腎結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)包含活的人類上皮細(xì)胞，該細(xì)胞組成了腎小管表面。目前這項(xiàng)研究已經(jīng)在線發(fā)表在了《Scientific Reports》雜志上。

“目前的工作進(jìn)一步擴(kuò)展了我們的生物打印平臺(tái)以打造功能性的人體組織結(jié)構(gòu)，這一工作兼具技術(shù)和臨床方面的意義。”Lewis教授說。

由Lewis的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建的3D腎結(jié)構(gòu)模擬的是近端小管，是腎小管中最長最粗的一段，是每個(gè)腎單位的重要組成部分。所謂的腎單位，擔(dān)負(fù)著在血液與尿液之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵功能，人類每側(cè)腎臟都擁有100—150萬個(gè)腎單位。在腎近端小管的卷曲處，大約65-80%的營養(yǎng)物質(zhì)會(huì)從腎濾液中重新吸收并運(yùn)回血液。因此，研究團(tuán)隊(duì)此次生物打印的3D腎架構(gòu)重現(xiàn)了整個(gè)腎的一個(gè)非常小——但是非常關(guān)鍵的——亞單元。

據(jù)悉，Lewis的團(tuán)隊(duì)是利用他們早先開發(fā)的生物打印活細(xì)胞以形成厚組織的方法來實(shí)現(xiàn)這一成果的，以下是基本步驟：

• 用一個(gè)可自定義的3D打印硅膠墊片作為模具，他們一開始通過“鑄造”一個(gè)設(shè)計(jì)好的細(xì)胞外基質(zhì)作為基礎(chǔ)層。

• 然后，一種“逃逸墨水”（它最終會(huì)液化并從最后的結(jié)構(gòu)中去除）會(huì)被打印成復(fù)雜、纏繞的管狀，這種形狀類似于天然腎近端小管的結(jié)構(gòu)。

• 打印出來的結(jié)構(gòu)隨后被另一層細(xì)胞外基質(zhì)封裝起來。

• 最后，整個(gè)結(jié)構(gòu)被冷卻，“逃逸墨水（fugitive ink）”也被去除，結(jié)果就是一個(gè)被嵌入細(xì)胞外基質(zhì)的開放小管。

• 下一步，在小管兩端的入口和出口灌注細(xì)胞生長液，然后再灌注人類近端小管細(xì)胞，這些細(xì)胞會(huì)迅速附著在該管道的內(nèi)壁上。

• 最終，這些細(xì)胞會(huì)形成一個(gè)緊密堆積的單層，并成為小管內(nèi)腔和外面的細(xì)胞外基質(zhì)之間的細(xì)胞屏障。

• 在這個(gè)過程中養(yǎng)分會(huì)通過小管的入口和出口處灌注進(jìn)來，滋養(yǎng)活細(xì)胞并在兩個(gè)多月的時(shí)間里保持它們的活性和功能。

• 當(dāng)細(xì)胞成熟后，該3D腎結(jié)構(gòu)就開始履行與自然的腎近端小管相同的重要功能。人們可以將藥物或其他東西灌入該3D腎結(jié)構(gòu)，以研究其腎毒性及對近端小管細(xì)胞的整體影響。

該研究的共同第一作者Kimberly Homan和 David Kolesky強(qiáng)調(diào)說，這一研究成果最令人興奮的方面是，它是一種可信的體外模型，而且其功能像活的腎組織，與傳統(tǒng)的2D細(xì)胞培養(yǎng)相比，這是一個(gè)巨大的進(jìn)步。

研究人員們稱，長遠(yuǎn)來看，他們的方法可以進(jìn)一步發(fā)展為制造植入物或器官輔助裝置。而在短期內(nèi)，它也將為臨床醫(yī)師提供一個(gè)能夠根據(jù)病人具體特點(diǎn)評估治療方案或進(jìn)行疾病診斷的強(qiáng)大工具，同時(shí)也是一個(gè)非常有效的方式來幫助制藥公司確定藥物對健康和腎功能的影響。

而且，作為一種制造平臺(tái)，這種方法是靈活、可擴(kuò)展且適應(yīng)性強(qiáng)的，也就是說，利用這種方法，研究團(tuán)隊(duì)除了努力爭取制造出更大的腎臟結(jié)構(gòu)之外，還計(jì)劃探索其他類型的人體組織和器官。