2022年10月14日，北卡罗莱纳州立大学研究人员在《Science Advances》期刊上发表题为Establishing a reproducible approach to study cellular functions of plant cells with 3D bioprinting的研究论文，成功建立了一个3D生物打印植物细胞的框架，以研究细胞活力、细胞分裂和细胞的身份。
//www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abp9906
研究简介
在3D环境中捕捉细胞间信号是研究细胞功能的关键。目前培养方法的一个主要缺陷是无法准确捕捉多细胞3D环境。本研究建立了一个3D生物打印植物细胞的框架，以研究细胞活力、细胞分裂和细胞的身份。建立了生物打印拟南芥和大豆细胞的长期细胞活力。为了分析生成的大型图像数据集，我们开发了一个高通量图像分析管道。此外，我们还展示了生物打印细胞的细胞周期再进入，其时间与核心细胞周期基因的诱导一致和再生相关基因，最终导致微愈伤组织的形成。最后，生物3D打印的表达内胚层标记的拟南芥根细胞的身份保持了较长时间。这里建立的框架为3D生物打印在研究细胞重编程和细胞周期再进入组织再生方面的普遍使用提供了更多可能性。
研究内容解读
多项研究已经证实，传统的细胞培养方法并不能完全模拟在自然条件下观察到的3D微环境。生物3D打印可以生成专门设计的3D细胞结构，更好地模拟植物条件下的自然环境。生物3D打印可以通过应用一种或多种模式来精确地沉积生物活性材料，即生物墨水。为了实现细胞的空间沉积，同时提供结构支持，植物细胞可以在大量的水凝胶支架中固定和实现生物打印。因此，生物3D打印提供了一种易于控制的系统，可以制造复杂的系统，以生理准确的方式捕捉细胞动态和相互作用，以促进组织再生。例如，人类诱导多能干细胞已经通过生物3D打印应用到研究细胞命运、表型变异和组织再生上。植物天生具有极强的再生能力。例如，完全失去的根干细胞可以在数小时内被完全替换并发挥功能。单个分离的植物细胞的再生能力在很大程度上受到细胞类型、组织类型、基因型和特定的3D微环境的影响。因此，为了设计能够持续再现细胞反应的3D微环境，需要进行基因型特异性和细胞类型特异性设计。对于这种设计，需要考虑机械性能、营养供应、降解性和组织拟态。利用生物3D打印技术，可以通过将活的植物细胞沉积在一个明确的环境中来控制机械和位置线索。此外，为了实现可重复的细胞响应，应考虑生物打印指标，包括结构尺寸、细胞密度、挤压过程中的速度和压力以及喷嘴直径。本研究使用了拟南芥根源原生质体（即没有细胞壁的植物细胞作为模型系统），展示了3D生物打印在可调微环境中研究细胞活力、细胞分裂和细胞重编程的潜力。原生质体是一种可替代愈伤组织和悬浮培养的系统，表现出单个细胞的行为。具体来说，研究人员从两种不同组织类型中分离出来的生物打印拟南芥根细胞维持了长达7天。在这段时间内发现表达内胚层标记的分离细胞的百分比增加，这表明分离细胞的身份在较长时间内发生了变化。基因表达谱显示了干细胞谱系标记和再生相关基因的诱导，这表明生物打印的细胞获得了干细胞样的身份。最后，证明了3D生物打印在研究模型和作物物种的分离单细胞再生方面的适用性。
图1 拟南芥根细胞的维护
图2 拟南芥根、芽和大豆胚芽分生组织区分离细胞的细胞分裂和微愈伤组织的形成轴
图3 生物打印分离根细胞的组织鉴别
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中国九游会科技生物3D打印机兼容多种材料体系，可用于微尺度结构成型，通过精确控制挤出喷头和打印参数，实现高精度的生物3D打印。
