我们介绍一种利用3D生物打印技术在标准六孔板上高通量制备具有可调尺寸和特定图案血管通道的实验方案,该技术被称为“孔板上的血管”(vessels-on-a-plate, VOP)。该平台有望推动针对内皮功能障碍相关疾病治疗药物的研发。
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我们介绍一种利用3D生物打印技术在标准六孔板上高通量制备具有可调尺寸和特定图案血管通道的实验方案,该技术被称为“孔板上的血管”(vessels-on-a-plate, VOP)。该平台有望推动针对内皮功能障碍相关疾病治疗药物的研发。
血管通透性是开发与内皮功能受损相关疾病疗法的关键因素,例如冠状动脉内皮功能障碍和血脑屏障功能受损。现有的制备技术无法充分模拟人体血管网络中的几何结构变化,而这些变化对疾病进展具有显著影响;此外,这些技术通常涉及多步骤的制备流程,限制了药物筛选所需的高通量生产。本文介绍了一种生物打印方案,可在标准六孔板上直接构建具有特定图案和尺寸的多个血管组织,从而克服了当前生物打印技术在分辨率和生产效率方面的挑战。本研究建立了一种简化的制备方法,用于在水凝胶中构建六条中空且可灌注的通道,并随后以人脐静脉内皮细胞进行内衬,形成具有功能性和成熟特性的内皮层。3D生物打印的计算机控制特性确保了高重复性,且相比传统方法所需的人工操作步骤更少。这凸显了VOP作为高效高通量平台在模拟血管通透性和推动药物发现方面的潜力。
人体内的血管网络通过动态调节血液与周围组织之间的分子和细胞交换,发挥着关键的运输屏障功能。这种调节对于防止组织水肿以及实现选择性营养物质和细胞交换至关重要,从而支持组织代谢和稳态1。内皮通透性的改变是多种健康状况中的一个影响因素,会影响疾病的严重程度和治疗效果2。血管内皮作为选择性屏障,促进血管、组织和器官之间的物质转运。这种调控涉及多种机制,例如对溶质和小分子的基础过滤、血管屏障的主动破坏,以及前列腺素和生长因子等分子对通透性水平的影响3。
这一调控过程中的关键因素包括内皮细胞连接、白细胞迁移以及血脑屏障的功能4。由于其复杂性,该过程在不同环境中存在差异,涉及多种类型的血管,并利用不同的解剖通路。理解血管通透性的生物学基础对于制定治疗与异常血管通透性相关疾病的方法至关重要。维持血管通透性的稳定对血管系统及其周围组织的健康至关重要;因此,该功能的受损将导致内皮功能障碍,即内皮层失去其正常功能的状态。
内皮功能障碍是多种常见人类疾病的前兆,包括高血压、冠状动脉疾病、糖尿病和癌症5,6,7。该状况可表现为多种形式,如血管舒张能力下降、血管通透性增加以及倾向于产生促炎状态。这种病理状态是多种重要心血管疾病(如冠状动脉疾病、脑卒中和外周动脉疾病)的最早阶段8,而这些疾病至今仍是美国死亡的主要原因1。内皮功能障碍不仅影响心血管健康,还影响血脑屏障(BBB),并在多种神经系统疾病的发展过程中起重要作用。功能障碍可增加血脑屏障的通透性,从而使毒素、病原体和免疫细胞侵入中枢神经系统,进而促进脑卒中、阿尔茨海默病、多发性硬化症和脑部感染等神经系统疾病的发生发展9。
糖尿病中的内皮功能障碍表现为内皮调节血管张力和产生一氧化氮等血管舒张介质的能力受损,导致血管舒张功能下降10。高血糖诱导的通路(如蛋白激酶C激活和氧化应激)会加剧这一状况,显著促进糖尿病血管病变的进展11。此外,已有研究发现,炎症环境可增强肿瘤细胞与脑微血管内皮细胞的黏附,而内皮通透性增加被报道是癌症转移的重要因素12,13。血管的几何结构也被发现直接影响脑部癌症的转移,肿瘤细胞优先附着于血管曲率较大的区域7。这一发现凸显了血管几何结构在癌症转移中的重要性。更重要的是,在纤维化和癌症等疾病中,内皮屏障功能的破坏不仅参与疾病的发生发展,还因阻碍药物的有效递送而降低治疗效果14。关于血管通透性的研究对于推动心血管疾病治疗以及理解其他涉及血管功能受损疾病的管理具有重要意义。
鉴于血管通透性在健康与疾病中的关键作用,大量研究致力于通过动物模型以及传统的二维(2D)和三维(3D)体外(in vitro)检测平台,探讨内皮屏障的选择性,以推动治疗手段的开发。然而,动物模型因存在物种特异性差异、伦理问题以及高昂的成本而具有局限性15,16。例如,辉瑞公司于2004年指出,在此前的10年中,其在药物研发上投入超过20亿美元,这些药物在动物模型中显示出良好的效果,但在后续的人体高级别测试阶段最终失败17。此外,传统的2D模型无法准确模拟血管通道的三维(3D)结构及其复杂的几何构型。
随着生物制造技术的进步,人们已投入大量努力用于构建血管通道并同时重现三维结构。利用软光刻技术,可在微流控芯片内有效制造微尺度血管通道,从而实现实时分析的优势18,19。其他方法,如水凝胶浇铸或将细胞片包裹在模具或芯轴周围,可用于构建具有理想直径的自支撑管状结构20,21。然而,这些方法存在局限性;例如,微流控芯片受限于微通道构型,而围绕模具进行水凝胶浇铸则难以有效复制多种几何形状。
随着3D生物打印技术的出现22,通过精确沉积多种基于细胞外基质(ECM)的水凝胶材料来复制复杂几何结构已成为可能23,24一些生物打印方法,例如使用同心排列喷嘴的方法,如同轴和三轴打印方法25,26,无法形成分叉的管状结构;然而,通过牺牲图案化方法可实现复杂结构27这些生物打印方法均未实现高通量生产。 体外 建模——药物发现中药理学研究的关键要求。本文介绍一种高效构建内皮化血管通道的方法,可精确控制其尺寸。
我们建立了一种简便的方法,利用市售的六孔板,结合牺牲图案化技术,通过生物打印机制备在细胞外基质水凝胶内具有特定尺寸和图案的血管通道。将人脐静脉内皮细胞(HUVECs)接种于这些通道中,以实现内皮化,并通过通透性实验评估内皮层的功能性。该设计通过在通道两侧创建培养基储液池,实现无泵灌注,借助常用的二维摇床产生重力驱动流,模拟动态培养环境。该方法无需蠕动泵,有利于平台向高通量应用扩展。3D生物打印技术的计算机控制特性也简化了制备流程,从而降低了制造过程中的出错概率。血管类器官平台(VOP)模型在药物发现中的药理学测试方面展现出良好的应用前景。
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1. 生物打印机 G 代码的生成
2. 制备牺牲层油墨和硅胶腔室油墨
注意:本方案中使用的所有材料的来源均列在材料表中。
3. 制备工艺
4. 水凝胶制备与通道包埋
5. 人脐静脉内皮细胞培养
6. 通道的内皮化
7. 内皮成熟度评估
8. 通透性测定
9. 在 ImageJ 中测量荧光强度
(1)
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采用多喷头生物打印系统制备了具有尺寸和结构灵活性的VOP平台。在 hollow 且可灌注的通道中接种 HUVECs 以促进内皮化,并通过通透性实验进行评估(图 1A)。为展示该方法的多尺度制造能力,我们打印了三种不同构型:直形、分叉形和弯曲形(图 1B)。通过一种简便的制备方法,可在标准六孔板内生成嵌有六条 hollow、可灌注的血管通道的水凝胶基质。这些通道可进一步接种 HUVECs 实现内皮化(图 2A)。细胞迅速黏附并增殖,覆盖血管通道的管腔内表面(图 2B)。黏附于上下管腔表面的细胞在管腔内呈均匀分布(补充图 S1)。
将培养板置于加湿的培养箱中孵育3天,使硅胶油墨固化,同时确保牺牲模板图案不会脱水干燥(图3A)。为评估通道内的流动情况,引入绿色...
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利用3D生物打印技术的精确性、自动化以及计算机控制特性,我们建立了一种在标准六孔板中制备血管通道的简化方法。选择六孔板是因为其与商用微孔板读数仪和显微镜成像系统的兼容性。该孔板设计可容纳多种尺寸的通道,并能提供足够的培养基体积以支持较大通道的生长,同时减少更换培养基的频率。该设计未来还可适配于其他市售的标准孔板,从而提高实验通量并减少材料使用。
微流控平台通常使用一种名为PDMS的硅酮聚合物,因其无毒、透气性好且高度透明28。然而,PDMS的形状保真度较低,限制了其在基于微挤出的生物打印中用于高形状保真度芯片制造的应用。另一种硅酮聚合物SE170029在构建组织制造腔室时可提供更高的精度,但其高黏度需要使用更大的喷嘴和较高的气压。我们配制了一种SE1700与PDMS的混合物,可适配更小的喷嘴,从而能够在受限空间内以高精度和高形状保真度进行制造。其他类型的聚合物,如聚己内酯(Polycaprolactone, PCL)或聚乙烯醋酸乙烯酯(Polyethylene Vinyl Acetate...
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作者声明不存在竞争性财务利益。
本工作由韩国国家研究基金会(NRF)资助,该基金会由韩国政府(科学技术信息通信部,MSIT)资助 [编号 NRF-2019R1C1C1009606;编号 2020R1A5A8018367;以及编号 RS-2024-00423107]。本研究由韩国国家研究基金会(NRF)的生物与医学技术发展项目资助,该项目由科学技术信息通信部(MSIT)资助 [编号 NRF-2022M3A9E4017151 和编号 NRF-2022M3A9E4082654]。本工作还获得了产业通商资源部(MOTIE,韩国)资助的技术创新项目 [编号 20015148] 和炼金术士计划 [编号 20012378] 的支持。本工作也得到了韩国食品医药品安全处食品农业林业技术规划与评价院(IPET)通过农业食品融合技术研究人才培育项目的支持,该项目由农业食品农村事务部(MAFRA)资助 [编号 RS-2024-00397026]。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 10 mL 血清移液管 | SPL | SPL 91010 | |
| 10 mL 注射器 | Shinchang Medical | ||
| 15 mL 锥形离心管 | SPL | 50015 | |
| 3D 生物打印机 | T&R Biofab | 3DX-Printer | |
| 6 孔板 | SPL | 37206 | |
| 生物安全柜 | CHC LAB | PCHC-777A2-04, | |
| 明场倒置显微镜 | Leica | DMi1 | |
| 细胞计数试剂盒(CCK8) | GlpBio | GK10001 | |
| 细胞计数试剂盒(CCK8) | GlpBio | GK10001 | |
| 细胞培养瓶 75T | SPL | 70075 | |
| Corning Matrigel 生长因子减少型(GFR)基底膜基质,无LDEV,10 mL | Corning | 354230 | |
| 蒸馏水 | |||
| DMEM/F12 | Gibco | 11320033 | |
| DMSO,细胞培养级 | Sigma aldrich | D2438 | |
| 道康宁 PDMS-Sylgard 184a 试剂盒 | DOW | DC-184 | |
| DOWSIL SE 1700 透明 W/C 1.1 KG 试剂盒 | DOW | 2924404 | |
| D-PBS - 1x | Welgene | LB001-01 | |
| 内皮细胞生长培养基 MV 2(即用型) | Promocell | C-22022 | |
| Eppendorf 微量移液器(1000、200、100、20、10) | eppendorf | ||
| 乙醇 99.9% | Duksan | D5 | |
| Excel | Microsoft | ||
| 牛血浆来源纤维蛋白原 | Sigma Aldrich | F8630-1G | |
| 异硫氰酸荧光素标记葡聚糖 70 kDa | Sigma Aldrich | 46945-100MG-F | |
| 荧光微球(1.0 μm,绿色) | Sigma Aldrich | L1030-1ML | |
| GelMA 粉末(明胶甲基丙烯酰胺)50 g | 3D Materials | 20JT29 | |
| Gibco 细胞冻存液(无血清),50 mL | Gibco | ||
| HUVECs(人脐静脉内皮细胞) | Promocell | ||
| ImageJ 软件 | NIH | ||
| 培养箱 | Thermo SCIENTIFIC | Forma STERI-CYCLE i160 CO2 培养箱 | |
| Invitrogen 活/死细胞活力/细胞毒性检测试剂盒(适用于哺乳动物细胞) | Thermo Fisher | L3224 | |
| 二苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰)磷酸锂粉末 | Tokoyo Chemical Industry CO. | 85073-19-4 | |
| Marienfeld Superior 计数板盖玻片 | Marienfeld Superior | ||
| Marienfeld Superior 血细胞计数板,细胞计数室 | Marienfeld Superior | HSU-0650030 | |
| 微量离心机 | eppendorf | Centrifuge 5920 R | |
| NCViewer.com | |||
| 氮气罐 | WORTHINGTON INDUSTRIES | LS750 | |
| Omnicure 紫外激光器 | EXCELITAS | SERIES 1500 | |
| Parafilm M 封口膜 | amcor | PM-996 | |
| 青霉素-链霉素溶液(100x) | GenDEPOT | CA005-010 | |
| 行星式混合器 | THINKY CORPORATION, japan | ARE-310 | |
| 等离子体处理仪 | FEMTO SCIENCE | CUTE-1MPR | |
| Pluronic F-127 | Sigma aldrich | P2443-250G | |
| 预配缓冲液,(P2007-1) 10x PBS | Biosesang | PR4007-100-00 | |
| 试剂储存柜 | ZIO FILTER TECH | SC2-30F-1306D1-BC | |
| 实时活细胞成像显微镜 | Carl ZEISS | ||
| 冰箱 | SAMSUNG | RT50K6035SL | |
| ROCKER 2D 数字摇床 | IKA | 4003000 | |
| 刮勺 | CacheBy | SL-SCO7001-EA | |
| Sigma 胰蛋白酶-EDTA 溶液,0.25% | Sigma aldrich | T4049-100ML | |
| 十二烷基硫酸钠(SDS) | Thermo Fisher scientific | 151-21-3 | |
| 注射器筒端帽 | FISNAR | 3051806 | |
| 计数器 | Control Company | C23-147-050 | |
| 锥形喷嘴(18 G) | Mushashi | TPND-18G-U | |
| 锥形喷嘴(22 G) | Mushashi | TPND-22G-U | |
| 锥形喷嘴 20 G | Musashi | TPND-20G-U | |
| 牛血浆来源凝血酶 | Sigma Aldrich | T7326-1KU | |
| 定时器,4 通道 | ETL | SL.Tim3005 | |
| 台盼蓝溶液 0.4% | Gibco | 15250061 | |
| 胰蛋白酶中和液 | Promocell | C-41120 | |
| UG 24 mL UG 软膏瓶 | Yamayu | No. 3-53 | |
| UG 58 mL UG 软膏瓶 | Yamayu | No. 3-55 | |
| 水浴锅 | DAIHAN Scientific | WB-11 | |
| 电子天平 | Sartorius | bce2241-1skr |
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