美国辛辛那提儿童医院医学中心与法国南特大学的研究人员设计了3D打印的支架托盘，据称该体系可让科研人员制备尺寸更大的功能性人源肠道类器官，制备速度较传统方法提升一倍，且此类类器官可自主生长出神经细胞。
这项技术升级有望加快人源迷你器官组织的制备效率，获得的组织尺寸足够用于修补人体小肠、胃或结肠的损伤，或恢复上述器官的功能减退。研究人员表示，这类组织也可为后续疾病研究、更准确评估口服药物的器官损伤风险提供重要工具。
该研究题为《通过瞬时球体限域培养制备可用于移植的规模化、神经支配的功能性人源肠道组织》，发表于《自然·生物医学工程》。
研究团队利用限域培养系统（confined culture system, CCS），将小肠、结肠及胃类器官从微小的球形结构培养为厘米级管状结构，尺寸较传统方法提升近10倍。此外，不同于需要复杂操作导入神经细胞的传统方法，此类类器官可自主发育形成神经系统。
“这类类器官的移植成熟速度提升一倍，且可自主发育出功能性神经，充分证明了工程学原理可驱动生物学创新。” 该研究的专职研究员Holly Poling博士表示，“我们的限域培养系统不仅仅是一种制备方法，更是一个可规模化、灵活搭建复杂人体组织的平台。”
新型制备系统实现更快生长速度
辛辛那提儿童医院干细胞与类器官医学中心（Center for Stem Cell & Organoid Medicine, CuSTOM）的专家团队15余年来始终致力于制备消化系统迷你器官，不断提升实验室培养组织的复杂性。近期，该团队正在开发相关技术，制备足量的个性化组织，用于移植到患者体内修补器官损伤，或恢复受损的特殊功能。
这项新技术采用3D打印技术，用外科级树脂制备托盘状支架模具，随后向模具中注入脱气聚二甲基硅氧烷——一种类似橡胶的柔性硅酮材料。
新型托盘设计有凹槽结构，可将大量球形类器官限制在同一排内，促进类球体相互融合并成熟。融合过程在包含特殊营养成分及其他组分的培养基中进行，该培养基可支持诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cells, iPSCs）初始生长并分化为更复杂的类器官。
培养至第6天，离散的类球体即可沿着托盘凹槽发育为统一的结构。随后将其转移至另一种水凝胶培养基中继续培养8天。
第14天时，类器官结构即可发育出所有细胞类型与结构，而传统方法需要28天才能达到该阶段。随后将这些组织移植到经过基因编辑、排斥风险最低的啮齿类动物体内。
研究共同作者表示，所有移植的组织均在啮齿类动物体内成功定植。在啮齿类动物体内生长后，研究团队获得了最长达8cm的功能性小肠组织，而传统方案仅能获得约1cm的组织。不仅组织尺寸远大于传统方法制备的产物，其神经肌肉功能也与天然人体组织相近，这是该领域的一项重大突破。
“我们现在不仅可以规模化制备复杂的胃肠道类器官，还可以引导其分化为整合了肠神经网络的功能性组织。” 该研究的通讯作者Maxime Mahe博士指出，“通过构建明确的生长环境，细胞的内在自组装能力可驱动形成与人体胃肠道高度相似的组织结构。”
CuSTOM的首席科学主管、该研究共同作者Jim Wells博士表示，这项新技术突破了类器官研究与生物制造中规模化与功能化的核心障碍。“该平台操作简便、可重复性高、通用性强，适合广泛推广应用。” Wells表示，“此外，类器官内部自组装形成的神经系统，对后续神经发育障碍的研究具有特别重要的价值。”
向人体临床试验又迈进一步
辛辛那提儿童医院的外科科学家、CuSTOM联合主任Michael Helmrath博士十余年来始终致力于开发足够成熟、可用于人体移植的肠道类器官。2017年，Helmrath与同事首次证实，可通过分层工艺将神经嵴细胞与肠组织细胞结合，制备出首个具有神经功能的人源类器官。他的团队还证实，将肠道类器官植入小鼠体内获得血供后，可生长为更大的尺寸。此后，肠道类器官的复杂性不断提升，除了特殊器官细胞与神经外，还开发出了包含免疫细胞的版本。
现在这项采用大鼠而非小鼠的新工艺可制备出产量更高的组织。“目前我们还无法在培养装置中培养出完整的、全尺寸的人体器官，但这类研究已经可以制备出足量的、可与个体患者匹配的组织。” Helmrath解释道，“我们认为这类组织移植后，可作为患者自身器官的一部分进一步生长增殖，从而恢复器官功能。”
Helmrath表示，在“CCS类器官”用于人体临床试验前，还需要开展更多研发工作。但如果研究持续取得成功，类器官医学有望让更多器官功能障碍的婴幼儿无需接受全器官移植即可得到治疗。