通過(guò)創(chuàng)建含有從豬氣管分離的細(xì)胞外基質(zhì)(dECM)和從人氣管分離的粘膜細(xì)胞的混合物的生物墨水，研究團(tuán)隊(duì)能夠3D打印具有與上皮細(xì)胞連接的血管網(wǎng)絡(luò)的裝置。該研究的主要作者JuYoungPark解釋說(shuō)：“我們通過(guò)在一步印刷過(guò)程中使用dECM生物墨水組裝內(nèi)皮細(xì)胞和成纖維細(xì)胞，再現(xiàn)了一種類(lèi)似體內(nèi)的3D血管網(wǎng)絡(luò)。”

“我們生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)具有與生物氣道上皮細(xì)胞相同的生理功能，因此可用于模擬哮喘等疾病，”Park說(shuō)，他們?cè)敿?xì)說(shuō)明印刷的氣道暴露于塵螨時(shí)表現(xiàn)出天然的過(guò)敏反應(yīng)。“例如，血管的存在導(dǎo)致我們的氣道模型中過(guò)量產(chǎn)生促炎細(xì)胞因子。這個(gè)過(guò)程(也稱(chēng)為“細(xì)胞因子風(fēng)暴”)發(fā)生在哮喘氣道炎癥和過(guò)敏原誘導(dǎo)的生理環(huán)境中的哮喘惡化過(guò)程中。

該研究中使用的六頭3D生物打印機(jī)相當(dāng)先進(jìn)。“其中兩個(gè)打印頭連接到一個(gè)氣動(dòng)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(píng)論道。“其他四個(gè)打印頭在三軸電動(dòng)平臺(tái)上運(yùn)行，我們使用計(jì)算機(jī)程序控制它們的運(yùn)動(dòng)。”

人體呼吸道非常復(fù)雜，膜層彼此相互作用。“為了模仿這種復(fù)雜的2D/3D結(jié)構(gòu)和氣道粘膜的細(xì)胞組成，我們?cè)?D血管平臺(tái)上組裝了一個(gè)2D氣道上皮，”Park解釋道。“我們通過(guò)3D細(xì)胞印刷重建了含有內(nèi)皮細(xì)胞和成纖維細(xì)胞的dECM生物墨水的自然3D血管網(wǎng)絡(luò)。事實(shí)上，dECM生物墨水為細(xì)胞提供了一種體內(nèi)樣的天然組織生態(tài)位，可誘導(dǎo)組織特異性分化和功能。

盡管涉及復(fù)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(xì)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(lèi)型的細(xì)胞直接放置在氣道結(jié)構(gòu)的特定位置，以模擬細(xì)胞如何在自然組織中排列，”Park說(shuō)。“該技術(shù)可用于設(shè)計(jì)多種類(lèi)型的芯片，甚至可以用于除氣道以外的印刷器官模型。”

在動(dòng)物和人體上測(cè)試藥物是昂貴的，耗時(shí)的并且通常是不道德的，因此產(chǎn)生準(zhǔn)確模仿人體器官的芯片上器官是推進(jìn)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?cè)谌祟?lèi)呼吸系統(tǒng)疾病中的作用，”Park說(shuō)。“因此，3D細(xì)胞印刷的氣道芯片可用作動(dòng)物模型的有力補(bǔ)充，用于分析病理生理學(xué)和測(cè)試臨床前階段藥物的效率。”