生物印刷微小的功能器官

多年来，大脑、肾脏和肺等器官的迷你版本——被称为“类器官——已经长大了干细胞。类有机物有望减少动物试验的需要，并提供更好的模型来研究人体器官如何形成以及在疾病中这一过程如何出错。然而，传统的类器官生长方法导致干细胞组装成微米到毫米大小的空心球体。EPFL生物工程研究所教授Matthias Lütolf说：“这是非生理性的，因为许多器官，如肠道或气道，都是管状的，而且要大得多。”。

为了开发出与正常同类器官相似的较大类器官，Lütolf和他的团队转向生物打印. 正如3D打印机允许人们创造日常物体一样，类似的技术也可以帮助生物工程师组装活体组织。但生物打印机使用的不是传统3D打印机中使用的塑料或粉末bioinks-包裹活细胞的液体或凝胶。Lütolf说：“生物打印非常引人注目，因为它可以让你在3D空间的任何地方沉积细胞，因此你可以考虑将细胞排列成器官状的结构，比如管子。”。

研究人员设计了一个定制的生物打印装置，包括一个显微镜和一个可以通过一个连接到注射泵的薄喷嘴吸入和沉积细胞的装置。在显微镜下，研究小组安装了一个含有类似于许多组织中复杂细胞外环境的凝胶的平板。Lütolf指出，这种凝胶“能让细胞形成组织，但由于难以处理，人们还没有真正将其用于生物打印。”

通过移动显微镜台，并通过显微镜透镜持续监测这一过程，研究人员能够在凝胶中沉积出几厘米长的肠干细胞线。Lütolf说:“使用显微镜的好处是，你总能看到自己在做什么，也能看到细胞在做什么——你不是盲人。”“在其他生物打印方法中，你看不到发生了什么。”

Lütolf说，一旦干细胞被播种，“奇迹发生了”:这些细胞开始生长并相互作用，形成一个连续的管状组织，模仿了许多正常肠道的解剖和功能特征。实验室培育的肠道大小可达3厘米，由含有干细胞的隐窝状口袋组成，它们包含与正常肠道相同的专门吸收和分泌细胞。微型肠道的分泌细胞也能够分泌抗菌分子以回应特定的刺激。

这种新开发的方法的不同之处在于，它比其他种植有机植物的方法更成功，因为它结合了植物生长的灵活性和精确性3D打印具有干细胞自我生长和组织的能力。Lütolf说：“我们允许生物学发生，这绝对是至关重要的。”。

通过生物打印胃肠道的类器官形成细胞，研究人员还生成了胃、小肠和结肠的部分，这些部分随后形成了相互连接的母体器官的迷你版本。Lütolf指出，用传统的方法种植器官，“你既可以种植胃器官，也可以种植肠道器官，而使用生物打印技术，你可以组合不同类型的细胞，并以不同的方式排列它们，”他说。

而微型器官Lütolf说，要实现正常功能，它们在再生医学中的应用，包括替代人体组织和器官，还需要数年的时间。但他指出，新开发的方法可用于构建包括癌症在内的人类疾病的组织模型，并用于测试候选药物如何作用于组织内的特定细胞类型。

Lütolf的团队现在希望利用生物打印技术来构建气道，以研究病毒感染，例如SARS-CoV-2病毒导致2019冠状病毒疾病. 受感染的迷你航空公司可以帮助测试不同的治疗方法。Lütolf说：“一个很大的优势是，通过显微镜，你可以观察感染的发展，从而可以量化和研究发生了什么。”。“这是一个令人兴奋的观点。”

这项研究发表在天然材料.