Review untersucht Biofabrikationsstrategien mit Einzelzellauflösung

Die jüngsten Fortschritte in der Biofabrikation mit extrem hoher Auflösung (z. B. auf Einzelzellebene) haben die Kapazität der Biofabrikation erheblich verbessert und neue Wege für die Gewebezüchtung eröffnet.

Wissenschaftler der Tsinghua-Universität haben einen Ausblick auf die Fortschritte bei der Biofabrikation technischer lebender Systeme mit Einzelzellauflösung gegeben.

Zu den Forschungsinteressen von Dr. Ouyangs Team gehören das Design, die Herstellung und die Anwendung komplexer Biomaterialien und Zellsysteme, wobei der Schwerpunkt auf der Entwicklung von 3D-Bioprinting und fortschrittlichen Biofabrikationstechnologien für Tissue Engineering und regenerative Medizin liegt. Da Zellen die Grundeinheiten lebender Systeme sind, glauben sie, dass die Konstruktion lebender Systeme mit Einzelzellmerkmalen wichtig ist, um die Mikroumgebung in den natürlichen Geweben wiederherzustellen.

Diese Rezension, veröffentlicht in Internationale Zeitschrift für Extreme Manufacturingbietet einen Überblick über die Biofabrikationsmethoden, die auf dem modularen Aufbau zellulärer Bausteine ​​mit Einzelzellmerkmalen in verschiedenen Dimensionen basieren, und bietet eine informative Einführung in die neuesten Fortschritte.

„Heterogenität mit Einzelzellauflösung ist ein häufiges Phänomen in natürlichen lebenden Systemen, daher sind die Techniken zur Manipulation der einzelnen Zellen zur Rekonstruktion der technischen lebenden Systeme wertvoll. Aber mehrere Faktoren wie die mechanische Festigkeit der Produkte und die Fertigungseffizienz sollten es sein.“ „Wir sind gut durchdacht, und es ist wichtig, die richtigen Einzelzellenbausteine ​​für eine bestimmte Verwendung auszuwählen“, sagte Dr. Liiang Ouyang, außerordentlicher Professor für Maschinenbau an der Tsinghua-Universität und leitender Autor der Rezension.

„Im Prinzip würde die Größe der Bausteine ​​das Mindestmerkmal der Struktur bestimmen und es dauert länger, eine großräumige Zellstruktur aus kleineren Bausteinen zusammenzubauen. Um gleichzeitig eine hohe Auflösung und Fertigungseffizienz zu erreichen, schlagen wir eine modulare Aufbaustrategie vor.“ Dies ermöglicht den Zusammenbau von Bausteinen unterschiedlicher Größe zur Bildung gewünschter Heterostrukturen“, sagte Dezhi Zhou, ein Ph.D. Student und Erstautor der Arbeit.

Jede Art von Gewebe/Organ besitzt eine einzigartige Struktur, um seine Funktion zu erfüllen. Beispielsweise bestehen Pankreasinseln aus mindestens fünf Zelltypen, die innerhalb einer Dimension mehrerer Zellen spezielle Verbindungen bilden, um die Blutzuckerhomöostase über Zell-Zell-Interaktion aufrechtzuerhalten; Skelettmuskel ist ein anisotropes Gewebe, das gebündelte Muskelfasern enthält, die vom Epimysium umhüllt sind, und die Muskelfasern weisen durch den Übergang zwischen Entspannung und Kontraktion eine normale Funktion auf.

Ein weiteres Beispiel sind Alveolen, die mehrschichtige Wände aufweisen, die von einem Netzwerk aus Kapillaren für den Gasaustausch umgeben sind. Der einzigartige Mehrschichtaufbau mit wenigen Mikrometern Dicke kann eine große Oberfläche (100–140 m2) für einen effektiven Gasaustausch bieten. Daher ist es von grundlegender Bedeutung, diese topologischen Strukturen neu aufzubauen, um die Funktion der technischen lebenden Systeme sicherzustellen.

„Genau wie beim LEGO-Spiel wählen wir die richtigen Blöcke aus und setzen sie zusammen, um das zu schaffen, was wir wollen“, sagte Zhou. Das ist enorm hilfreich, um eine komplexe Struktur aufzubauen, die die natürlichen Lebenssysteme nachahmt. „Aber für Wissenschaftler ist die Frage, wie man die richtigen lebenden Bausteine ​​herstellt und sie kontrolliert zusammensetzt, eine dauerhafte Herausforderung“, sagte Dr. Ouyang.

Basierend auf dem „Dispersion-Deposition“-Prinzip können komplexe lebende Systeme als eine Ansammlung verschiedener diskreter Elemente betrachtet werden, einschließlich Bausteinen mit Einzelzellmerkmalen und Bausteinen für Zellpopulationen/Biomaterialien. Dann könnten die Gegenstücke jedes einzelnen Elements erzeugt und zusammengefügt werden, um das gewünschte Objekt wieder aufzubauen. „Wir glauben, dass die Kombination dieser beiden Bausteine ​​zur Entwicklung komplexer Gewebe mit sowohl physikalisch-chemischen als auch biologischen Eigenschaften beitragen kann“, sagte Zhou.