类器官——利用干细胞在实验室中培养出的微型人体组织——正在彻底改变生物医学研究和药物开发范式。然而，规模化生产足够大、足够复杂的类器官一直是该领域面临的核心技术挑战。近日，美国辛辛那提儿童医院干细胞与类器官医学中心与法国南特大学的研究团队在这一领域取得了令人瞩目的突破。他们开发了一种基于3D打印的新型受限培养系统，能够以两倍于传统方法的速度培育出更大、更复杂的人体肠道类器官，并且这些类器官能够自主发育出包含神经元和神经胶质细胞的完整肠神经系统。
3D打印模具的创新设计与制造
研究团队的核心创新在于设计了一种特殊的3D打印支架模具。他们使用Formlabs Form 2桌面级 3D打印机 和Formlabs Surgical Guide Resin生物相容性材料，打印出带有精确凹槽结构的托盘状培养模具。这些凹槽可以将多个球状类器官精确限制在一排，通过物理约束促进它们之间的接触融合和协同成熟。在包含生长因子、细胞外基质蛋白和营养物质的混合培养基的共同作用下，经过优化设计的模具为类器官提供了接近体内生理环境的理想生长微环境。团队利用这一受限培养系统成功培育出结肠类器官、小肠类器官和胃类器官，均展现出与人体相应器官高度相似的组织结构和细胞组成。
效率翻倍与功能完整性的同步提升
与传统培养方法相比，这种3D打印培养系统将类器官的生产速度提高了整整两倍，大幅缩短了从干细胞到功能性类器官的培养周期。更关键的是，加速生产的类器官在功能完整性上没有因为速度提升而打折扣。研究团队发现，新系统培育的肠道类器官能够自主发育出完整的肠神经系统——这是控制肠道蠕动、分泌和感觉功能的复杂神经网络，包括多种类型的神经元和神经胶质细胞。论文资深作者Maxime Mahe博士表示，现在不仅能够规模化生成复杂的胃肠道类器官，还能引导它们分化为具有整合肠神经网络的功能性组织。细胞的内在自组织能力驱动形成了与人体胃肠道非常相似的组织结构，这为肠道疾病研究、药物筛选和个性化医疗提供了前所未有的工具平台。
3D打印在生物医学领域的新角色
需要特别指出的是，这项研究并非直接"生物打印"类器官本身，而是利用3D打印制造专门的实验室培养设备——支架模具。这代表了3D打印在生物医学领域的一个重要应用方向：不是替代生物学过程，而是通过精密制造的工程工具来辅助和加速自然的生物学过程。辛辛那提儿童医院的CuSTOM中心近20年来一直致力于制作消化系统器官的微型版本，此次突破是该中心长期研究的结晶。该方法的可扩展性和可重复性使其有望成为类器官生产的标准化方案，为再生医学领域的组织工程和器官修复奠定基础。同时，这一方法也验证了桌面级3D打印机在生物医学研究中的实际应用价值——使用商用设备和材料，就可以实现从前需要复杂微加工工艺才能达到的效果。
迈向定制化可移植组织的未来
研究团队的最终目标是制造定制化、可移植的肠道组织，足够大以恢复器官功能和修复损伤。当前的突破为此迈出了关键一步——证明了规模化生产功能性类器官的可行性。与传统的二维培养和动物模型相比，三维类器官能够更真实地模拟人体生理环境，在药物毒性测试、疾病机制研究和个性化治疗方案制定中具有不可替代的优势。随着3D打印技术的进一步进步、生物制造工艺的持续优化以及干细胞技术的不断成熟，利用患者自身干细胞培育功能性肠道组织用于移植修复，将从科学幻想逐步走向临床现实。辛辛那提儿童医院团队表示，将持续优化3D打印模具设计，探索更大规模、更高复杂度的类器官培养方案，并向其他器官类型扩展。
来源：中国科技网、3DPrint.com综合报道