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(超越生物打印)，這些技術可以實現單細胞分辨率(超越單細胞操作)，但涵蓋了生物醫學中的應用。來自清華大學的科學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生物制造的進展。

Ouyang博士團隊的研究興趣包括復雜生物材料和細胞系統的設計、制造和應用，重點是3D生物打印和先進生物制造技術的發展，用于組織工程和再生醫學。由于細胞是生命系統的基本單位，他們認為具有單細胞特征的工程生命系統對于再現原生組織中的微環境很重要。

這篇發表在《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性在自然生命系統中是一種常見現象，因此操縱單細胞重建工程生命系統的技術是有價值的。但應該充分考慮產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件是很重要的，”清華大學機械工程副教授、該評論的資深作者Liiang Ouyang博士說。

“原則上，構建塊的大小將決定結構的最小特征，并且用較小的構建塊組裝大型細胞結構需要更長的時間。為了同時實現高分辨率和制造效率，我們建議采用模塊化組裝策略，使不同尺寸的構建塊能夠共同組裝，形成所需的異質結構，”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構來實現其功能。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形成特殊的連接，通過細胞間相互作用維持血糖穩態;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換，表現出正常的功能。肺泡是另一個例子，它呈現出由毛細血管網絡包圍的多層壁，用于氣體交換。獨特的多層結構，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，重建這些拓撲結構是保證工程生命系統功能的基礎。

“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的復雜結構非常有幫助。“但對科學家來說，如何創造合適的生命積木，并可控地組裝它們，是一個持久的挑戰”。

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

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