如何在單細胞分辨率下制造組織?

最近在高分辨率生物制造(如單細胞水平)方面的進展極大地提高了生物制造的能力，為組織工程開辟了新的途徑。然而，目前還缺乏一篇全面的綜述，概述了各種生物制造技術(shù)(超越生物打印)，這些技術(shù)可以實現(xiàn)單細胞分辨率(超越單細胞操作)，但涵蓋了生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。來自清華大學(xué)的科學(xué)家們提供了一個視角來回顧單細胞分辨率的工程生命系統(tǒng)生物制造的進展。

Ouyang博士團隊的研究興趣包括復(fù)雜生物材料和細胞系統(tǒng)的設(shè)計、制造和應(yīng)用，重點是3D生物打印和先進生物制造技術(shù)的發(fā)展，用于組織工程和再生醫(yī)學(xué)。由于細胞是生命系統(tǒng)的基本單位，他們認(rèn)為具有單細胞特征的工程生命系統(tǒng)對于再現(xiàn)原生組織中的微環(huán)境很重要。

這篇發(fā)表在《國際極端制造雜志》上的綜述綜述了基于不同維度單細胞特征的細胞構(gòu)建塊的模塊化組裝的生物制造方法，并提供了對最新進展的信息介紹。

“單細胞分辨率的異質(zhì)性在自然生命系統(tǒng)中是一種常見現(xiàn)象，因此操縱單細胞重建工程生命系統(tǒng)的技術(shù)是有價值的。但應(yīng)該充分考慮產(chǎn)品的機械強度和制造效率等幾個因素，為特定用途選擇合適的單細胞構(gòu)件是很重要的，”清華大學(xué)機械工程副教授、該評論的資深作者Liiang Ouyang博士說。

“原則上，構(gòu)建塊的大小將決定結(jié)構(gòu)的最小特征，并且用較小的構(gòu)建塊組裝大型細胞結(jié)構(gòu)需要更長的時間。為了同時實現(xiàn)高分辨率和制造效率，我們建議采用模塊化組裝策略，使不同尺寸的構(gòu)建塊能夠共同組裝，形成所需的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，”博士生、該論文的**作者Dezhi Zhou說。

每種類型的組織/器官都有其獨特的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)其功能。例如，胰島由至少五種類型的細胞組成，在幾個細胞的維度內(nèi)形成特殊的連接，通過細胞間相互作用維持血糖穩(wěn)態(tài);骨骼肌是一種各向異性的組織，由肌外膜包裹著束狀肌束，肌束在松弛和收縮之間有序轉(zhuǎn)換，表現(xiàn)出正常的功能。肺泡是另一個例子，它呈現(xiàn)出由毛細血管網(wǎng)絡(luò)包圍的多層壁，用于氣體交換。獨特的多層結(jié)構(gòu)，厚度僅為幾微米，可提供大表面(100-140 m2)進行有效的氣體交換。因此，重建這些拓撲結(jié)構(gòu)是保證工程生命系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)。

“就像玩樂高一樣，我們選擇合適的積木，把它們組合成我們想要的東西”。這對于建立一個模擬自然生命系統(tǒng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)非常有幫助。“但對科學(xué)家來說，如何創(chuàng)造合適的生命積木，并可控地組裝它們，是一個持久的挑戰(zhàn)”。

基于“分散-沉積”原理，復(fù)雜的生命系統(tǒng)可以被視為各種離散元素的集合，包括單細胞特征構(gòu)建塊和細胞種群/生物材料構(gòu)建塊。然后，可以生成每個離散元素的對應(yīng)元素并將其放在一起以重建所需的對象。“我們相信，這兩種構(gòu)建模塊的結(jié)合可以幫助構(gòu)建具有物理化學(xué)和生物特征的復(fù)雜組織。”

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