《Nature Biomedical Engineering》：生物3D打印实现血管化类器官和组织的高效制造

哈佛大学的Jennifer A. Lewis教授团队在《Nature Biomedical Engineering》 （26.8）上发表了“Orthogonally induced differentiation of stem cells for the programmatic patterning of vascularized organoids and bioprinted tissues”；本文介绍了一种名为“正交诱导分化 (OID)”的方法，用于快速编程和图案化人类干细胞、类器官和生物打印的组织。该方法通过在预编程的 hiPSCs 中强制过表达转录因子，可以独立于培养基成分，同时将 hiPSCs 分化为不同的细胞类型。作者利用 OID 方法，在含有神经或内皮细胞特异性培养基的单一体系中，将 hiPSCs 分化为内皮细胞和神经元，并在几天内产生血管化和图案化的皮质类器官。此外，通过利用 hiPSC 墨水的多材料生物打印，无需细胞外基质，他们生成了由神经干细胞、内皮细胞和神经元组成的分层区域的图案化神经组织。OID 的正交诱导分化可以促进用于生物医学应用的工程组织的制造。

在这项研究中，生物 3D 打印扮演了至关重要的角色，它将程序性诱导分化 (OID) 和 多材料生物墨水结合起来，实现了可编程、多细胞 3D 神经组织的打印。这为药物筛选、疾病建模和治疗应用开辟了新的途径。

实验结果表明，在相同的培养基条件下，过表达 ETV2 可以将 hiPSCs 分化为血管内皮细胞，过表达 NGN1 可以将 hiPSCs 分化为神经元。这表明 OID 可以高效地诱导 hiPSCs 分化为特定细胞类型，并克服了传统培养基诱导分化的局限性。

将 WT、iEndo 和 iNeuron hiPSCs 在 NIM 中共培养，可以形成具有不同细胞类型组成的组织。例如，iEndo 和 WT 细胞可以形成血管网络，而 iNeuron 细胞可以形成神经元网络。这表明 OID 可以用于在共培养条件下编程 hiPSCs 的共分化，并形成具有预定组成的多细胞组织。

将 67% 的 WT hiPSCs 和 33% 的 iEndo 细胞混合形成胚胎体，并在 NIM 中培养，可以形成具有血管网络的脑皮质类器官。通过免疫荧光染色和显微镜观察，可以观察到这些类器官中存在血管网络，并证实了血管内皮细胞的存在。这表明 OID 可以用于构建具有血管网络的脑皮质类器官。

将 WT、iEndo 和 iNeuron hiPSCs 按照特定的比例组合，可以形成具有分层结构的脑皮质类器官。这些类器官中包含神经干细胞、神经元和血管内皮细胞，并且神经干细胞位于最深层，神经元位于中间层，血管内皮细胞位于最外层。这表明 OID 可以用于构建具有分层结构的脑皮质类器官。

通过 3D 生物打印技术，可以构建由 WT、iEndo 和 iNeuron hiPSCs 组成的 3D 神经组织。这些组织可以具有分层结构，并且可以模拟发育中的脑组织的几何形状。这表明 OID 可以用于构建 3D 神经组织。

该研究提出了一种名为正交诱导分化 (OID) 的方法，该方法利用转录因子过表达来编程 hiPSCs 分化成多种细胞类型，并构建具有特定结构和功能的类器官和组织。通过在预编程的 hiPSCs 中强制过表达特定的转录因子，OID 可以独立于培养基成分控制细胞的分化命运，从而实现快速、高效且可编程地生成血管化类器官和 3D 组织。这项技术为药物筛选、疾病建模和治疗应用开辟了新的途径。

文献原文：10.1038/s41551-022-00856-8

文献链接：https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC9506705/