每天有20人死于等待在美国进行器官移植，现在每年有超过30,000例移植手术，目前有超过113,000名患者在等候器官等候。人工生长的人体器官被许多人视为解决这种器官短缺的“圣杯”，3D打印的进步导致了使用该技术建立人体器官形状的活组织构造的繁荣。然而，迄今为止所有3D打印的人体组织缺乏它们用于器官修复和替换所需的细胞密度和器官水平功能。
现在，由哈佛大学Wyss生物启发工程研究所和John A. Paulson工程与应用科学学院（SEAS）的研究人员创建的一种名为SWIFT（牺牲写入功能组织）的技术克服了3D打印血管通道的主要障碍。由干细胞衍生的器官构建块（OBB）组成的活体基质，产生具有高细胞密度和功能的活的器官特异性组织。该研究报告在Science Advances中。
“这是一种全新的组织制造模式，”共同第一作者，Wyss研究所研究员Mark Skylar-Scott博士说。 “SWIFT专注于打印支持含有大量OBB的活体组织构建所必需的血管，而不是试图3D打印整个器官的细胞，而最终可用于治疗以修复和替换人体器官 - 包含患者自身细胞的生长版本。“
SWIFT涉及一个两步过程，首先将数十万个干细胞衍生的聚集体形成一个密集的活体OBB基质，每毫升含有约2亿个细胞。接下来，通过写入和去除牺牲油墨，将氧和其他营养物可以通过其输送到细胞的血管网络嵌入基质中。 “从这些OBB中形成一个密集的基质，一举两得：它不仅能达到类似于人体器官的高细胞密度，而且基质的粘度还能够在其中印刷普遍存在的可灌注通道网络，以模仿支持人体器官的血管，“共同第一作者SébastienUzel博士说，他是Wyss研究所和SEAS的研究员。
SWIFT方法中使用的细胞聚集体衍生自成体诱导的多能干细胞，其与定制的细胞外基质（ECM）溶液混合以制备通过离心压实的活体基质。在低温（0-4℃）下，致密基质具有蛋黄酱的稠度 - 足够柔软，可以在不损坏细胞的情况下进行操作，但厚度足以保持其形状 - 使其成为牺牲3D打印的理想介质。在这种技术中，一个薄喷嘴移动通过这个矩阵，沉积一股明胶“墨水”，将细胞推开而不会损坏它们。
当冷基质被加热到37℃时，它变硬变得更坚固（就像煮熟的煎蛋卷一样），而明胶油墨融化并可以洗掉，留下嵌入组织结构内的通道网络，可灌注含氧培养基滋养细胞。研究人员能够将通道的直径从400微米变为1毫米，并将它们无缝连接，形成组织内的分支血管网络。
使用SWIFT以嵌入的血管通道印刷并以这种方式灌注的器官特异性组织仍然存活，而没有这些通道的组织在12小时内在其核心中经历细胞死亡。为了观察组织是否显示器官特异性功能，研究小组将分支通道结构打印，疏散和灌注到由心脏来源细胞组成的基质中，并通过通道流动培养基超过一周。在此期间，心脏OBB融合在一起形成更坚固的心脏组织，其收缩变得更加同步并且强度超过20倍，模仿人类心脏的关键特征。
“我们的SWIFT生物制造方法非常有效地从原始细胞聚集体到干细胞衍生的类器官的OBB中大规模地创建器官特异性组织，”相应的作者Jennifer Lewis，Sc.D。，核心教员在Wyss研究所以及SEAS的生物启发工程HansjörgWyss教授。 “通过将干细胞研究人员的最新进展与我实验室开发的生物打印方法相结合，我们相信SWIFT将极大地推动全球器官工程领域的发展。”
与Wyss Institute的教师Chris Chen，M.D.，Ph.D。正在进行合作。在波士顿大学和麻省理工学院的Sangeeta Bhatia，博士，博士，将这些组织植入动物模型并探索它们的宿主整合，作为由Lewis和Chris Chen共同领导的3D器官工程计划的一部分。
“通过血管通道支持活体人体组织的能力是朝着在体外创造功能性人体器官的目标迈出的一大步，”Wyss研究所创始主任Donald Ingber医学博士，博士，同时也是Judah Folkman HMS血管生物学教授，波士顿儿童医院血管生物学项目，SEAS生物工程教授。 “我们继续对Jennifer实验室取得的成就印象深刻，包括这项研究，最终有可能大大改善器官工程和自身器官衰竭的患者的寿命，”
——文章发布于2019年9月6日
