Advanced Materials Biofabrication丨陈璞团队在声场辅助生物组装构建新型体外模型方面取得新进展

转载原创  科研进展 武汉大学泰康生命医学中心 2023-05-26 17:09 发表于湖北   

     近日，Advanced Materials （《先进材料》）和Biofabrication（《生物制造》）在线发表了武汉大学泰康医学院、泰康生命医学中心陈璞课题组关于声场辅助生物组装构建新型体外模型的最新研究成果。论文题分别为Rationally Design and Acoustically Assemble Human Cerebral Cortex-like Microtissues from hiPSC-derived Neural Progenitors and Neurons（《声学组装hiPSC来源的神经干细胞和神经元构建大脑皮层微组织模型》）和Size- and Density-dependent Acoustic Differential Bioassembly of Spatially-Defined Heterocellular Architecture（《基于尺寸效应和密度效应的声学差分生物组装构建空间定义的异质细胞微结构》）。

01   研究一

大脑皮层相关疾病的机制研究以及临床前神经药物的筛选需要开发人类生理临床相关的大脑皮层模型。目前，已经使用转基因动物和二维神经元培养模型进行了大量的基础和临床前研究。转基因动物模型可在整体水平上模拟人类神经疾病的一些特定的生理和病理学特征，并有助于了解体内的神经病理学发病机制和认知行为障碍。然而，动物和人类大脑在组织结构、细胞组成、皮层分层和神经元亚型上存在诸多显著差异，限制了它们在识别药物靶点和评估神经疾病候选药物方面的可靠性。另一方面，二维神经元培养模型适用于临床前神经学研究的高通量生物测定。然而，二维培养的神经元失去了类似体内的微环境，无法模拟人脑皮层组织中神经元对神经元和神经元对基质的相互作用。因此，迫切需要开发用人类生物学相关和临床相关的大脑皮层模型用于机制研究和临床前药物筛选。

陈璞课题组利用反向工程仿生制造策略，通过声学生物组装技术，以无标记和非接触的方式分别组装hiPSC来源的神经干细胞和神经元，并进行神经分化和培养，体外构建高仿真人类相关的大脑皮层微组织模型。在此研究中，课题组首先开发一种结合组织工程学和发育生物学原理的构建策略，即利用声学生物组装技术组装神经干细胞，并在三维水凝胶体系中进行分化和持续培养；此外，课题组还开发了第二种构建策略，即利用声学生物组装技术直接组装成熟神经元并持续培养。通过对两种策略构建的大脑皮层微组织的蛋白表达和整体功能层次的表征，课题组发现构建的皮层微组织模型包含了人类大脑皮层组织的神经元显微解剖结构，包括六层神经元结构、400微米的层间距离、层间突触连接和神经电生理传递。此外，通过HSV-1病毒感染皮层微组织，发现了微组织产生了与阿尔茨海默病相关的发病表型，包括神经元丢失和β-淀粉样蛋白的表达，这些模型将有助于在探索神经退行性疾病的机制和筛选神经保护剂的候选药物方面的广泛应用。

武汉大学泰康医学院（基础医学院）2019级博士研究生王记波和2017级博士毕业生乔豪文博士为该论文的共同第一作者，陈璞教授为论文的通讯作者。此外，该工作还得到了武汉大学吴莹教授、张振涛教授和毕琳琳副教授的支持。并受到了国家自然科学基金面上项目、武汉市科技局应用基础前沿项目资助。

全文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202210631

02   研究二

声学组装是一种新兴的生物制造策略，能够以动态可调的方式构建有序和紧密排列的组织和器官微结构。然而，同时组装不同类型的细胞形成具有特定空间排列的异质细胞微结构仍然是一个挑战。为了解决这一挑战，陈璞课题组开发了一种法拉第波声学差分组装方法，该方法根据组装单元固有的物理属性（即尺度和浮力密度），将含有不同类型细胞的组装单元差分定位到法拉第波的节点或反节点区域形成互补样结构，或者差分定位到节点（或反节点）的中心或者边缘形成三明治样结构。利用该方法，我们将hiPSC来源的肝细胞和内皮细胞差分组装成六边形由中心向外边缘发射的互补样结构，从而模拟人肝小叶中肝血窦和肝锁的解剖特征。我们对构建的肝小叶模型进行了6天培养和功能表征。结果显示，肝小叶模型的白蛋白分泌量约为300 ng/mL，尿素合成量为4 mg/dL。总之，声学差分组装技术填补了原有声学组装技术缺乏对异种细胞空间差分定位能力的局限性，有利于构建具有特定异质细胞空间排列的人体微组织。因此，其在组织工程和再生医学研究中有着广泛的应用前景。

武汉大学泰康医学院（基础医学院）2018级博士研究生谷龙军为该论文的第一作者，陈璞教授和斯坦福大学Utkan Demirci教授为论文的共同通讯作者。该项工作受到了科技部重点研发项目、武汉市科技局应用基础前沿项目的资助。

全文链接：

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1758-5090/aca79c

     以上两项工作的第一作者王记波、谷龙军均获得2023中国生物医学工程学大会创新医疗峰会中组织工程与再生医学分会场青年优秀论文竞赛奖。两项工作产生的专利技术已通过武汉大学作价100余万转让给深圳康沃先进制造科技有限公司。依托以上专利技术，康沃已开发出中国第一台商业化的生物制造仪器CB101，为中国的组织工程和再生医学领域发展提供了创新支撑平台技术。

陈璞教授长期致力于创新组织工程与再生医学的基础性生物制造（Biofabrication）技术，尤其是专注于生物组装（Bioassembly）技术，首创法拉第波生物组装（Faraday wave bioassembly）的理论和技术；创新发展了体超声生物组装（Bulk acoustic wave bioassembly）的技术和应用。生物组装是面向再生医学的生物制造的两个技术路径之一，另一个技术路径为生物打印（Bioprinting）。生物组装通过调控特种能场（如声场、磁场等）的空间势能拓扑，操控生物微粒自组装形成组织和器官特异性的结构。生物组装技术适合构建厘米尺度、功能化的高仿真组装模拟物和替代物。其优势在于生物兼容性好，组织构建的效率高、能够促进细胞间接触依赖通讯等。这些构建的高仿真组织模拟物和替代物潜在服务于生物医学基础研究和临床再生医学治疗。近年来，陈璞教授以通讯或第一作者在Advanced Materials，Biomaterials，Biofabrication，Advanced Healthcare Materials等国际期刊发表多篇高水平学术论文。