研究人员如何利用3d生物印记进行岛细胞生产

三维活体印刷是一种添加剂制造技术,将活体细胞、生长因子和生物材料储存在精确的空间安排中,以构建组织状的结构。 与传统二维活体培养(不能复制本土小岛的复杂微观环境)不同,活体印刷可以重述三维结构、细胞相互作用和对内分泌正常功能至关重要的氧气/营养梯度[。 研究人员现在正在利用这种技术从头开始利用干细胞衍生出β细胞或其他细胞源构建功能活体组织。

Bioinks: 生物活化岛的建筑块

这一过程首先要形成生物汇 -一种以水相胶为基质的材料,将活细胞封装,并在打印期间和打印后提供结构支持. Bioink必须具有生物兼容性,允许细胞增殖和分化,具有适当的壁膜特性来打印,并在细胞产生自己的基质时以可控的速度降解. 它们可以被分为自然和合成类型:

• 自然生物汇包括去甲酸(由海藻产生)、 ⁇ 基、 ⁇ 酸、地脂甲酰基(GelMA)和去细胞化的胰外基质(dECM). 阿尔克酸因快速发酵和免疫活性低而被广泛使用,但缺乏哺乳动物细胞的活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活
• 合成活性结合,如功能化聚乙烯甘醇(PEG)水相胶能提供可捕取的机械性质和降解率,可以被设计出特定的活性化物(如细胞粘合的RGD),或者以可控的方式释放生长因子.

许多研究人员现在使用混合生物汇合物,将自然和合成成分结合起来,实现生物活性和机械稳定性.

印刷战略和技术

正在探索多种生物印记技术,每种技术都有明显的优点和局限性:

• 外接-基于打印 — — 使用最广泛的,其中由气压或机械压力通过喷管来强制进行生物融合。 它提供高细胞密度(可达107个细胞/mL),并适合产生大结构,但可能使细胞受剪切压力。 最近改进使用同轴喷管来创建核心-壳结构,从而能够制造血管化通道。
• Inkjet(基于滴入)打印 – 使用热或派佐电脉冲来沉淀生物汇的微滴。它速度快,可以同时打印出多组细胞类型,但细胞密度较低,喷嘴会发生。这种方法更适合生成小型、统一的麻黄醇。
• Laser 辅助活字印刷(LAB) — — 使用激光将细胞的“拉登”滴从丝带转移到底片上。它提供了高分辨率和单细胞精度,尽管它速度更慢,成本更高。LAB是印刷少量高定义结构的理想。
• Microfluid Bioprinting — — 使用微流道生成细胞拉登液滴或纤维,精确控制大小和组成。 这一技术可以产生数千个统一的岛状有机体,这在近期的高通量研究中得到了证明。

为了生产功能性小岛,研究人员经常打印出β-细胞集合或]全能的Islet-like organoids,直径为100-300微米,类似于本土小岛。 然后将印刷的结构培养出一种生物反应器,通过它渗透营养和氧气,促进成熟和胰岛素分泌能力。

生物打印岛的单元格来源

活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活

• 人类诱导多能干细胞(ipSC)可以从患者自己的细胞(如皮肤或血液)中衍生出来,并被分化为胰岛素生成β细胞。 这种方法允许自发移植,从而消除免疫抑制的需要。 然而,分化协议是复杂的,产生细胞的功能并不完全成熟。
• 人类胚胎干细胞提供了一种能无限扩展的精致多能源。 Vertex和ViaCyte等公司使用hESC-衍生胰腺后生体进行临床-阶段程序。将这些细胞活化成有组织结构可能会改善它们的活化和功能。
• 研究者可以通过删除高血压基因和插入免疫性分离分子来创造得不到受体免疫系统承认的β细胞。 如果结合生物印记,这些细胞可以产生标准化、普遍相容的岛状分泌物。 研究者可以将“超低血压”的基因和免疫性分离分子分解。

最近突破和研究要点

过去三年,外地工作急剧加快。

• 葡萄糖在活体 中反应胰岛素分泌——在一份发表于先进材料[的2023年研究报告中,科学家用将人类iPSC-衍生出β细胞封入细胞外的胰腺素活性细胞中,用细胞外膜活性细胞的活性细胞合成的活性细胞,在培养过程中以葡萄糖依赖的方式分泌胰岛素,并实现血糖正常水平(来源)。
• 克服缺氧的分泌策略 — 佛罗里达大学3D ⁇ 校一队打印出一副能持续放出氧的生成氧的脚手架,支持低氧环境下的 Islet 生存能力. 他们的构造在糖尿病小鼠体内维持了长达90天的胰岛分泌( source ).
• 文化印刷可以增强功能 – 哈佛怀斯研究所的研究人员用多点头活字印刷将β细胞与血管内皮细胞和中枢干细胞一起沉入体内。 这种文化可以增强岛体组织,减少人口疏导,与单一文化相比胰岛素输出增加了近三倍。 印刷结构在植入后也形成了功能血管网络。
• 高通量生产统一的有机体[ – 2024年,韩国一队人报告微流体活字印刷方法,每分钟产生上千个统一的活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活体活
• 免疫保护胶囊的整合 ——研究人员在以阿尔盖特为主的胶囊内用活印出含有孔隙大小的改性剂来阻止免疫细胞进入,同时允许葡萄糖和胰岛素扩散. 最近的研究表明,被封装活印的活印子在免疫能力小鼠体内活了200多天,没有免疫抑制(来源).

这些进步表明活活化的岛细胞可以重新概括出本土岛生理学的关键方面,使其稳步地更接近临床应用.

对糖尿病治疗的影响

通过活印生产可移植的、由实验室培养的岛细胞的能力,可以以以下几种方式使糖尿病管理发生革命性变化:

• 消除捐赠者的依赖性 — — 施特姆细胞的衍生β细胞可以无限期地扩张,提供无限的供给。 与生物印刷相结合,标准化的岛地产品可以大规模制造,使目前被排除在捐赠者池之外的数百万患者能够获得移植。
• 使用患者自己的iPSC来创建自体岛可以避免免疫排斥,而无需免疫抑制。 这一方法更昂贵、更费时,但可以留给难以控制糖尿病或不是多基因移植对象的患者。
• 通过封装保护免疫系统 – 生平活化的岛可以封装在免疫器械(如:白化珠、聚合胶囊)内,这些能阻挡免疫细胞和抗体,同时允许葡萄糖和胰岛素扩散。 最近的设计包括一个3DXX打印的多孔室,允许封装的岛体血管化,改善寿命。 这些装置可以消除系统免疫抑制的需要。
• 维特克斯的V-880疗法(非活性印刷)已经在第一阶段/第二阶段的试验中显示出希望,而活性印刷的版本可以改善细胞的保存和功能。
• 生活质量的改善 — 对有不孕症(常有低血糖症不知情)的患者来说,即使是部分胰岛素独立于活纹外接会大幅地改善生活质量,减轻葡萄糖监测的负担,并降低严重低血糖事件的风险.

面临生物印地机岛细胞的关键挑战

尽管取得了有希望的成果,这些障碍仍然很大:

• 长期生存能力和功能 — — 实验室构造往往在几周后因血管化不足、营养扩散限制和细胞内幕而失去胰岛素分泌。 实现多年功能的持久分泌至关重要。 诸如血管化前、氧气释放脚手架以及使用亲存活因子等策略正在调查中,但尚未临床。
• 免疫排斥[ — — 即使有自体细胞,1型糖尿病的自体免疫反应也能再次摧毁移植的β细胞。 β细胞的自体免疫攻击仍在继续,而且没有额外的免疫调节,自体遗传也可能成为目标。 正在开发封装和规范的T-细胞疗法来解决该问题。
• 伸缩性和制造一致性 — — 以可复制、符合GMP的方式生产百万个功能性岛状物,是一项巨大的工程挑战。 生物汇合物、细胞质量和打印参数的批量变化必须被最小化。 最近开发的高通量方法是一个进步,但它们仍然需要严格的质量控制。
• ”] 植入地选择[ — — 肝脏(口静脉)一直是传统的植入地,但它提供了低氧张力,使黄岛暴露在高浓度的免疫抑制药物中。 诸如骨髓、皮下空间或带有氧气供应的皮下装置等替代场所正在测试中。 每个场所对活性印刷的构造施加了不同的机械和免疫限制。 比如,全神器袋血管化良好,但可能缺乏大块构造的空间。
• 20世纪80年代,美国和英国的“基因”研究者们都认为,“基因”是“基因”的“基因”和“基因”的“基因”“基因”“基因”“基因”“基因”“基因”“基因”“基因”“基因”“学””“学”“学””“学””“学”””“学”””“学” 。 成本和监管障碍[ — — 高级细胞治疗产品制造成本昂贵。 GMP-G级iPSC分型成本单是每个患者可超过10万美元。 生物活化的 Islet产品被归类为组合产品(细胞+设备),增加了审批途径的复杂性。 FDA 和EMA等监管机构需要广泛的临床前安全和疗效数据,包括长期动物研究和毒性评估。 这些因素可能会推迟临床采纳。
• 道德考虑[ — — 使用hESCs和iPSCs引发了细胞来源、知情同意以及肿瘤形成(teratum)(如果没有区别细胞留下的话)的伦理问题。 生物印记并不能消除这些风险;相反,它增加了生物兼容材料的需求,必须进行彻底测试,以达到长期安全。