今年3月份，哈佛大學(xué)Hans?rg Wyss生物工程教授Jennifer A. Lewis領(lǐng)導(dǎo)的一個研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種方法，可以用人類干細(xì)胞、細(xì)胞外基質(zhì)和內(nèi)襯血管內(nèi)皮細(xì)胞的循環(huán)通道3D打印出厚實(shí)的血管化組織構(gòu)造，并將活性保持了一個多月時間。如今這個團(tuán)隊(duì)又更進(jìn)一步，3D生物打印出了一個管狀的3D腎結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠再現(xiàn)腎的功能，從而向著生物打印功能性人體組織和器官又邁進(jìn)了一步。

通過與羅氏制藥公司的科學(xué)家Annie Moisan的密切合作，他們在之前的基礎(chǔ)上構(gòu)建出了一個功能性的3D腎結(jié)構(gòu)，這個結(jié)構(gòu)包含活的人類上皮細(xì)胞，該細(xì)胞組成了腎小管表面。目前這項(xiàng)研究已經(jīng)在線發(fā)表在了《Scientific Reports》雜志上。

“目前的工作進(jìn)一步擴(kuò)展了我們的生物打印平臺以打造功能性的人體組織結(jié)構(gòu)，這一工作兼具技術(shù)和臨床方面的意義。”Lewis教授說。

由Lewis的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建的3D腎結(jié)構(gòu)模擬的是近端小管，是腎小管中最長最粗的一段，是每個腎單位的重要組成部分。所謂的腎單位，擔(dān)負(fù)著在血液與尿液之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵功能，人類每側(cè)腎臟都擁有100—150萬個腎單位。在腎近端小管的卷曲處，大約65-80%的營養(yǎng)物質(zhì)會從腎濾液中重新吸收并運(yùn)回血液。因此，研究團(tuán)隊(duì)此次生物打印的3D腎架構(gòu)重現(xiàn)了整個腎的一個非常小——但是非常關(guān)鍵的——亞單元。

據(jù)悉，Lewis的團(tuán)隊(duì)是利用他們早先開發(fā)的生物打印活細(xì)胞以形成厚組織的方法來實(shí)現(xiàn)這一成果的，以下是基本步驟：

• 用一個可自定義的3D打印硅膠墊片作為模具，他們一開始通過“鑄造”一個設(shè)計好的細(xì)胞外基質(zhì)作為基礎(chǔ)層。

• 然后，一種“逃逸墨水”（它最終會液化并從最后的結(jié)構(gòu)中去除）會被打印成復(fù)雜、纏繞的管狀，這種形狀類似于天然腎近端小管的結(jié)構(gòu)。

• 打印出來的結(jié)構(gòu)隨后被另一層細(xì)胞外基質(zhì)封裝起來。

• 最后，整個結(jié)構(gòu)被冷卻，“逃逸墨水（fugitive ink）”也被去除，結(jié)果就是一個被嵌入細(xì)胞外基質(zhì)的開放小管。

• 下一步，在小管兩端的入口和出口灌注細(xì)胞生長液，然后再灌注人類近端小管細(xì)胞，這些細(xì)胞會迅速附著在該管道的內(nèi)壁上。

• 最終，這些細(xì)胞會形成一個緊密堆積的單層，并成為小管內(nèi)腔和外面的細(xì)胞外基質(zhì)之間的細(xì)胞屏障。

• 在這個過程中養(yǎng)分會通過小管的入口和出口處灌注進(jìn)來，滋養(yǎng)活細(xì)胞并在兩個多月的時間里保持它們的活性和功能。

• 當(dāng)細(xì)胞成熟后，該3D腎結(jié)構(gòu)就開始履行與自然的腎近端小管相同的重要功能。人們可以將藥物或其他東西灌入該3D腎結(jié)構(gòu)，以研究其腎毒性及對近端小管細(xì)胞的整體影響。

該研究的共同第一作者Kimberly Homan和 David Kolesky強(qiáng)調(diào)說，這一研究成果最令人興奮的方面是，它是一種可信的體外模型，而且其功能像活的腎組織，與傳統(tǒng)的2D細(xì)胞培養(yǎng)相比，這是一個巨大的進(jìn)步。

研究人員們稱，長遠(yuǎn)來看，他們的方法可以進(jìn)一步發(fā)展為制造植入物或器官輔助裝置。而在短期內(nèi)，它也將為臨床醫(yī)師提供一個能夠根據(jù)病人具體特點(diǎn)評估治療方案或進(jìn)行疾病診斷的強(qiáng)大工具，同時也是一個非常有效的方式來幫助制藥公司確定藥物對健康和腎功能的影響。

而且，作為一種制造平臺，這種方法是靈活、可擴(kuò)展且適應(yīng)性強(qiáng)的，也就是說，利用這種方法，研究團(tuán)隊(duì)除了努力爭取制造出更大的腎臟結(jié)構(gòu)之外，還計劃探索其他類型的人體組織和器官。