利用3D生物打印构建关节类器官的策略与应用

骨关节炎（OA）是一种导致成人疼痛和残疾的慢性疾病，影响全球约3亿人。它是由软骨损伤引起的，包括细胞炎症和细胞外基质（ECM）的破坏，由于软骨组织中缺乏血管和神经，导致自我修复能力有限。关节软骨独特的生物学特性和机械结构使关节软骨的重建成为巨大的挑战。在多种策略中，类器官技术作为一种新兴的软骨修复策略，显示出巨大的潜力。类器官是由体外培养的干细胞衍生的三维（3D）组织结构，模仿相应器官的组织和功能。它们为研究和开发提供了生理学相关的系统。关节类器官的构建可以模拟关节在体内的微环境，建立骨关节炎、类风湿关节炎等疾病模型，并可用于关节植入物的药物筛选和生物材料评价。

目前关节类器官的发展仍处于起步阶段，构建关节类器官仍存在众多挑战。近年来，3D生物打印和再生医学的发展为构建关节类器官提供了新的可能性。3D生物打印具有高通量、高精度和自动化等优点，可以被用来制造具有复杂结构的关节类器官，从而模拟真实的关节微环境。立体结构为细胞和组织渗透到结构内部中提供了空间，促进更好的组织-关节类器官整合，并扩大了细胞附着和生长的面积。此外，由3D生物打印技术构建的关节类器官由于其空间特性和机械结构，可以承受植入关节中存在的高水平的压缩和剪切载荷。

因此，目前对关节类器官构建的研究有限，仍然是一个具有挑战性的研究领域。 近期，上海交通大学新华医院苏佳灿教授团队从3D建模、打印方式、生物墨水和培养条件四点总结了3D生物打印构建关节类器官的方法，重点概述了3D生物打印在构建关节类器官方面的相关研究，创新性地提出了关节类器官构建的阶段性策略，为关节类器官的构建提供了崭新的思路。该综述文章以“Small joint organoids 3D bioprinting: Construction strategy and application”为题，发表在Small期刊上。上海交通大学附属新华医院苏佳灿教授、上海大学任肖湘助理研究员与西安红会医院周凤金教授为文章的共同通讯作者。



考虑到关节组织的复杂组成，包括不同的细胞类型和排列在特定3D结构中的细胞外基质组件，生物3D打印结构提供了紧密模拟关节组织复杂结构的能力。3D生物打印允许对不同的细胞类型和材料进行精确定位，从而能够创建具有更准确和更真实结构的组织。在该综述中，作者介绍了3D生物打印构建关节类器官的关键流程和技术，如3D建模、3D生物打印、生物墨水和培养微环境。

图1 三维打印构建关节类器官的关键步骤和技术

3D建模

3D打印是一种多功能技术，可以根据计算机模型以精确、预定义的方式组合材料和细胞。这种方法允许制造高度复杂的结构，使其成为构建关节组织的一种很有前途的技术。设计和创建关节类器官需要使用CAD、3DMAX和Solidworks等软件来构建打印模型。

在3D打印之前，使用计算机断层扫描和磁共振成像等成像技术来定位和分析关节，从而创建在解剖学上与骨缺陷匹配的精确模型。该模型可作为打印过程的蓝图，允许使用计算机辅助设计和制造（CAD-CAM）对关节进行精确构建。3D打印正在迎来患者个性化定制的新时代，在实现模型或设备的最大准确性和功能方面发挥着关键作用。

打印技术

打印技术也是3D生物打印的关键组成部分，因为它可以影响打印的类器官的分辨率、细胞活力和材料特性。此外，作者还总结了适合于构建类器官的打印方法，并为构建关节类器官提供了有价值的见解。通过综合考虑打印方法和设备，研究人员可以优化打印过程，以制备高质量的关节类器官，用于药物开发和再生医学应用。

图2 四种不同的印刷方法

生物墨水

除了打印技术，生物墨水是3D生物打印的另一个重要元素。对于关节类器官来说，理想的生物墨水应该为软骨细胞和各种骨细胞的生长和分化提供良好的微环境，并具有足够的机械强度来模拟骨组织的形态结构，并具有负载效应。与传统的3D打印不同，3D生物打印需要具有高生物相容性和生物可降解性的材料。水凝胶已经成为一种适合3D生物打印的生物材料，为细胞存活、增殖和分化提供了一个培养环境。 生物3D打印关节类器官的构建策略 关节是由多种组织组成的复杂结构，包括髌下脂肪垫、肌腱、韧带和半月板。然而，构建完整的关节类器官来模拟关节各部分的动态环境仍非常困难。因此，在该综述中，作者提出了构建关节类器官的三部曲。

图3 生物3D打印关节类器官的构建策略

基础关节类器官

首先，在构建复杂的高级关节类器官之前，应先建立基本的关节类器官，即基于生物活性材料（如GelMA、HAP等）和干细胞（如骨干细胞、胚胎干细胞等）定向分化的三维骨软骨组织。因此，选择合适的细胞和生物材料对于构建基本关节类器官至关重要。起始细胞类型可以决定体外类器官成熟的水平。对于关节类器官，潜在的细胞来源包括hiPSCs和间充质干细胞。

图4 基础关节类器官

结构化关节类器官

第二步，在基础关节类器官之上，构建结构化的关节类器官。这方面的关键策略是探索3D生物打印的使用和可以打印的结构类型。不同的生物3D打印技术在结构化构造种各有优缺点。挤出式打印的同轴和双通道喷头更适合于快速成型器官的构造，而投影光固化打印具有更高的分辨率，能够打印更精确的结构。大量研究已经证明了结构对细胞分化和迁移的重要性，而3D打印的逐层制造允许材料在支架中均匀分布和控制纳米结构。

利用3D生物打印技术可以实现精确和复杂的结构来复制骨骼结构。具有分级孔隙度的支架与天然骨的多孔结构非常相似，因此设计具有不同孔隙度的关节类器官可能是一种很有前途的策略。材料的孔隙率也与其压缩模量和屈服应力有关，因此多孔结构不仅可以向细胞输送营养物质，还可以模拟关节所经历的应力。受自然生物启发构建关节类器官也是一种很有前途的策略。例如，海绵、海螺形状的支架都可以有效地定向骨生长。这些天然结构不仅具有足够的机械强度来模拟关节的应力，而且还能有效地引导细胞生长。

图5 结构化关节类器官

功能化关节类器官

最后，关节类器官的功能化是一个关键步骤，它涉及将各种活性因子，包括将生长因子、外泌体和囊泡纳入生物墨水，这可以调节细胞行为并诱导细胞分化。例如，转化生长因子β1和骨形态发生蛋白分别可以促进软骨细胞和成骨细胞的分化。此外，光聚合物和光热剂可用于创建具有光热响应和弹性体性能的结构，从而实现4D打印。

图6 功能化关节类器官

综上所述，与传统的二维细胞培养和动物模型相比，利用3D生物打印构建的关节类器官可以更好地模拟关节的复杂三维结构和微环境，并更加准确地反映生理和病理状态。然而，构建关节类器官是一个复杂的过程，需要考虑多种细胞类型、生物材料组合和生长因子调节。关节类器官的可重复性和稳定性仍然需要改进，如干细胞定向分化、血管化和免疫化等挑战是关键问题。尽管存在这些挑战，3D生物打印和干细胞研究在构建关节类器官方面具有巨大的潜力。使用先进的生物材料技术，包括生物纳米材料、纳米材料和可生物降解材料，将更有效和可持续地构建关节类器官。总之，关节类器官提供了更准确的关节结构和微环境表征，相信3D生物打印作为一种新方法将为关节组织建模和关节疾病治疗提供无限可能。

审核编辑：刘清