近期，華盛頓大學Benjamin D. Humphreys教授在Nature Materials上發表題為“Bioprinting better kidney organoids”的評論文章，本文主要是對2020年Nature Materials腎臟類器官列印的經典文章“Cellular extrusion bioprinting improves kidney organoid reproducibility and conformation（點選檢視該篇文章介紹）”的評論，評論認為，自動化的基於擠出的生物列印已經顯示出能夠以改善的通量，質量控制和規模使人腎臟類器官產生，這是朝著大規模腎臟組織工程邁出的重要一步。

人類腎臟類器官在疾病建模和藥物篩選方面的前景已得到廣泛認可，但是在實現這種潛力之前，必須解決圍繞變異性，通量和規模的侷限性（1）。幾乎所有的腎臟類器官分化方案都涉及多能幹細胞向腎祖細胞定向分化，然後人工聚集這些祖細胞並在Transwell濾器上培養（2）。一些工藝利用旋轉生物反應器來提高效率，但是這些工藝也依賴於大量細胞聚集（3）。腎臟的類器官不能生長到毫米以上，因為它們的內部變得缺氧，導致壞死，並且它們也缺乏皮質，髓質和乳頭狀等高階形態。手動聚集的類器官也很費力費時，並且批次間差異很大（4）。生物列印提供了在速度和規模上精確控制三維空間中細胞沉積的能力，代表了應對這些挑戰的潛在解決方案。

在此問題中，Lawlor及其同事報告了基於自動擠出的生物列印的使用（5）透過操縱生物物理特性，以高通量產生腎臟類器官，並提高了重現性並優化了腎單位數目。作者利用培養了7天的誘導多能幹細胞分化為中間的中胚層發育階段。然後將細胞解離成單個細胞懸液，以形成由沒有任何載體水凝膠的細胞組成的“糊狀”或“生物墨水”。然後將這種細胞生物墨水用於擠出生物印表機中。與傳統的手動方法相比，該生物印表機能夠準確，快速地在每個Transwell中放置更多的類器官，並且尺寸要小得多，而不會造成細胞分化。類器官工藝的挑戰之一是批次之間的差異（4），而生物列印的類器官提供了很大的改進，尺寸變異係數非常低，僅為1-4％。

生物印表機的準確性使方案可以從典型的六孔Transwell板適應於96孔格式，從而可以進行中等通量藥物篩選。作者還研究了類器官構象對形態的影響。他們觀察到，當將相同數量的細胞列印為線而不是點時，每個類器官的腎單位數量顯著增加（圖1）。儘管尚未證明這種作用的潛在機制，但限制將類器官列印為點時將發生的低氧中心似乎有助於增加那些以線條列印的類器官的腎生成。在此觀察結果的基礎上，研究人員能夠列印多條彼此相鄰的類器官線，從而在隨後的區分之後，他們能夠生成4.8×6 mm的類器官貼片。這些腎臟類器官具有高度一致的腎單位模式，並表達由間質內皮細胞圍繞的Henle近端和遠端小管或環的標記。最後，作者使用單細胞和大量RNA測序來證明，與人工聚集的類器官相比，生物列印的腎臟類器官的成熟性得到了改善。

Lawlor及其同事利用了一個腎單位祖細胞-中胚層-產生了後腎間充質的衍生物，但缺乏輸尿管芽（包括收集管）的實質性貢獻。現在，對於輸尿管的產生工藝芽樣組織已經在小鼠和人開發（6，7），可設想以促進分化這兩種細胞型別之間的往復感應信令的方式生物列印這兩種細胞型別的形態發生。最近的多能幹細胞也可以被誘導形成收縮性輸尿管組織的證明(8),提示了生物列印該祖細胞以將收集導管連線到輸尿管的可能性。

腎類器官的主要侷限性在於缺乏功能性脈管系統。確實，Lawlor及其同事發現生物物理特性調節腎生成的發現可能反映了均勻的氧氣和營養素輸送對於成功的腎生成的重要性。是否可以透過將多個印刷的類器官與包埋的灌注血管通道結合產生釐米級的腎臟類器官，尚待觀察。詹妮弗·劉易斯（Jennifer Lewis）實驗室最近報告了使用心臟類器官的概念證明這一概念的原理，該方法將心臟小類器官壓縮成千上萬個小類器官，然後應用生物製造技術-犧牲性寫入功能組織（SWIFT，懸浮列印）-從而在心臟內形成可灌注的血管通道(9)。犧牲墨水在類器官基質中形成圖案，然後可以將其除去，留下可灌注通道網路。以相同的方式，可以將無血管的腎臟組織的小塊彼此疊合，透過SWIFT在兩層之間打印出血管導管。

總而言之，這種用於腎臟類器官生成的生物列印方法代表了在提高產量，可變性和規模方面邁出的重要一步。這些結果無疑將促進對生物列印可用於控制組織自組織並將其從毫米級擴充套件到釐米級的方式的進一步研究。

參考文獻

1.Przepiorski, A., Crunk, A. E., Espiritu, E. B., Hukriede, N. A. & Davidson, A. J. Semin. Nephrol. 40, 188–198 (2020).

2.Takasato, M. & Little, M. H. Methods Mol. Biol. 1597, 195–206 (2017).

3.Przepiorski, A. et al. Stem Cell Rep. 11, 470–484 (2018).

4.Phipson, B. et al. Nat. Meth. 16, 79–87 (2019).

5.Lawlor, K. T. et al. Nat. Mater. https://doi.org/10.1038/s41563-020-00853-9 (2020).

6.Yuri, S., Nishikawa, M., Yanagawa, N., Jo, O. D. & Yanagawa, N. Stem Cell Rep. 8, 401–416 (2017).

7.Tsujimoto, H. et al. Cell Rep. 31, 107476 (2020).

8.Wanjare, M., Kuo, F. & Gerecht, S. Cardiovasc. Res. 97, 321–30 (2013).

9.Skylar-Scott, M. A. et al. Sci. Adv. 5, eaaw2459 (2019).

本文譯自：https://www.nature.com/articles/s41563-020-00881-5