通過創(chuàng)建含有從豬氣管分離的細胞外基質(zhì)(dECM)和從人氣管分離的粘膜細胞的混合物的生物墨水，研究團隊能夠3D打印具有與上皮細胞連接的血管網(wǎng)絡的裝置。該研究的主要作者JuYoungPark解釋說：“我們通過在一步印刷過程中使用dECM生物墨水組裝內(nèi)皮細胞和成纖維細胞，再現(xiàn)了一種類似體內(nèi)的3D血管網(wǎng)絡。”
“我們生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)具有與生物氣道上皮細胞相同的生理功能，因此可用于模擬哮喘等疾病，”Park說，他們詳細說明印刷的氣道暴露于塵螨時表現(xiàn)出天然的過敏反應。“例如，血管的存在導致我們的氣道模型中過量產(chǎn)生促炎細胞因子。這個過程(也稱為“細胞因子風暴”)發(fā)生在哮喘氣道炎癥和過敏原誘導的生理環(huán)境中的哮喘惡化過程中。
該研究中使用的六頭3D生物打印機相當先進。“其中兩個打印頭連接到一個氣動壓力系統(tǒng)，該系統(tǒng)分配合成聚合物以制造氣道支撐框架，”Park評論道。“其他四個打印頭在三軸電動平臺上運行，我們使用計算機程序控制它們的運動。”
人體呼吸道非常復雜，膜層彼此相互作用。“為了模仿這種復雜的2D/3D結(jié)構(gòu)和氣道粘膜的細胞組成，我們在3D血管平臺上組裝了一個2D氣道上皮，”Park解釋道。“我們通過3D細胞印刷重建了含有內(nèi)皮細胞和成纖維細胞的dECM生物墨水的自然3D血管網(wǎng)絡。事實上，dECM生物墨水為細胞提供了一種體內(nèi)樣的天然組織生態(tài)位，可誘導組織特異性分化和功能。
盡管涉及復雜程度，但3D生物打印技術(shù)比其他制造芯片上器官的方法更有效。“我們的3D細胞打印系統(tǒng)使我們能夠以高通量輕松制作氣道原型，并允許我們將各種類型的細胞直接放置在氣道結(jié)構(gòu)的特定位置，以模擬細胞如何在自然組織中排列，”Park說。“該技術(shù)可用于設(shè)計多種類型的芯片，甚至可以用于除氣道以外的印刷器官模型。”
在動物和人體上測試藥物是昂貴的，耗時的并且通常是不道德的，因此產(chǎn)生準確模仿人體器官的芯片上器官是推進藥物的必要步驟。“我們的新模型可用于研究這些相互作用，并更好地了解它們在人類呼吸系統(tǒng)疾病中的作用，”Park說。“因此，3D細胞印刷的氣道芯片可用作動物模型的有力補充，用于分析病理生理學和測試臨床前階段藥物的效率。”
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