《Nature Communications》:喷气式高通量干细胞微球3D打印机促进骨骼肌和毛囊再生
转载 原创 EFL EngineeringForLife 2022-12-08 00:00 发表于江苏 如有侵权,请联系。
间充质干细胞在组织修复、器官再生方面有着广阔的应用前景。然而,当前间充质干细胞移植技术存在细胞获取苦难、缺乏适宜的扩增手段以及在体移植后细胞留存率低等问题,难以满足临床上对干细胞数量、质量、留存率的要求,为此临床上正加速对干细胞制剂及制备技术对转化研究。鉴于此,来自清华大学深圳国际研究生院马少华团队副教授团队研发出“高通量干细胞微球原位3D打印机”,实现了无接触式干细胞微球原位打印移植,并提出“高密度干细胞微球间隙式移植技术”,可提升在有限干细胞数量条件下的移植面积,提升了干细胞移植留存率,在重度骨骼肌创伤和毛囊再生方面显示出良好的修复效果,并有望应用于大面积皮肤创伤和软器官损伤修复,如子宫内膜等。相关研究成果以“Bead-jet printing enabled sparse mesenchymal stem cell patterning augments skeletal muscle and hair follicle regeneration”为题于2022年12月3日发表在《Nature Communications》。清华大学马少华副教授为论文通讯作者,共同第一作者为清华大学2019级硕士生曹远雄(现为帝国理工学院博士生)、2020级硕士生谭嘉懿、2019级博士生赵浩然(现为新加坡-麻省理工学院博士后)、2018级硕士生邓婷。
文章要点:1.研发出用于“原位再生修复的喷气式高通量干细胞微球3D打印机”2. 提出“高密度干细胞微球间隙式移植技术”,可有效提升干细胞移植面积3. 成功实现了重度骨骼肌肌肉损失修复和皮肤毛囊再生4. 阐释了间充质干细胞体内修复的机理,前期通过“细胞扩增”和“外泌体旁分泌”作用,后期通过“干细胞分化”实现再生修复该微球3D打印机包含微球高通量制备与微球无接触式打印两个模块,混有人源间充质干细胞的微球经微流控剪切作用顺次排列在微流控管道内,微管道出口与高速气流相连接,微球经“气流喷射作用”打印至组织损伤部位,实现无接触微球打印。该微球打印机能够实现均质和异质微球的批量制备和高精度打印,当前2D平面结构打印极限可达100cm2, 3D立体结构打印极限可达50层(2 × 2 × 3 cm),极大地提升了微球的可打印性以及多结构制备效率。
图1 高通量干细胞微球负载原位打印机流程图
负载“高细胞密度”的微球经间隙式空间排布能够利用“群落效应”有效增进营养物质传输以及细胞之间的交流与信息传递,增强干细胞的治疗效果,包括提升干细胞生长速度、增殖速度、迁移速度以及细胞外囊泡分泌产量等。
图2 高密度干细胞微球生长曲线
该微球原位3D打印机能有效促进重度骨骼肌创伤再生修复,经4周移植后,采用“高密度干细胞微球”治疗的肌肉创伤能再生出高密度有序排列的新生肌肉纤维,并且纤维化程度明显减弱,新生毛细血管、神经纤维、肌肉组细胞表达量明显上升,取得良好的修复效果。
图3 高通量干细胞微球原位3D打印机修复重度骨骼肌创伤
同时经过1周修复后,“高密度干细胞微球”内的细胞在体内扩增明显,细胞明显伸展,细胞留存率显著提升。经过3-4周修复后,干细胞分化成肌肉纤维状,并在“高密度干细胞微球”组内分化效果最为明显。因此,干细胞经在体移植后,在前期主要通过增殖作用促进新生肌肉纤维生长,并伴随着细胞外囊泡分泌量的增加,在后期主要通过分化作用加速体内再生修复的进程。
图4 高密度干细胞微球在骨骼肌创伤修复中获得显著提高的留存率和扩增分化效率
同时,“高密度干细胞微球”能有效促进小鼠皮肤损失再生修复,经在体打印移植后,真皮层明显增厚,毛囊和皮脂腺表达量增加,血管化表达上升。通过“荧光标记法”,仅经过1周再生修复,“高密度干细胞微球”组即可分化成“毛囊”状,实现对皮肤创伤的再生修复。该高通量干细胞微球负载原位打印机未来有望能实现大面积创伤修复。
图5 高通量干细胞微球原位3D打印促进皮肤功能再生
该工作得到国家自然科学基金,广东省自然科学基金,深圳市科创委和深圳湾实验室开放基金支持。