Science子刊：3D打印植物细胞

研究人员在展示生物打印植物细胞在受控环境下研究细胞通讯和活力的有效性方面迈出了一大步。

　　

   

   

3D生物打印植物细胞的过程在机械上类似于打印油墨或塑料，只是做了一些必要的调整。  

北卡罗来纳州立大学的一项新研究展示了一种可复制的方法，通过3D打印机“生物打印”这些细胞，来研究不同类型植物细胞之间的细胞通信。更多地了解植物细胞是如何相互交流的——以及它们与环境之间的交流——是了解更多植物细胞功能的关键，并可能最终导致创造更好的作物品种和最佳的生长环境。

研究人员将模式植物拟南芥和大豆的细胞进行了生物打印，不仅是为了研究植物细胞在被生物打印后是否会存活——以及存活多长时间——还为了研究它们是如何获得并改变其特性和功能的。

“植物的根有很多不同类型的细胞，它们具有特殊的功能，”北卡罗来纳州立大学博士后研究员Lisa Van den Broeck说，她是描述这项工作的论文的第一作者。“也有不同的基因被表达;有些是特异性。我们想知道生物打印活细胞并将它们放入你设计的环境后会发生什么:它们是活着的，并在做它们应该做的事情吗?”

Van den Broeck说:“我们使用的不是3D打印墨水或塑料，而是‘生物墨水’或活的植物细胞。这两个过程的机制是相同的，但对植物细胞有一些显著的区别:一个紫外线过滤器用于保持环境无菌，多个打印头(而不是一个)可以同时打印不同的生物墨水。”

没有细胞壁的活植物细胞或原生质体与营养物质、生长激素和一种叫做琼脂糖的增稠剂(一种海藻化合物)一起被生物打印出来。琼脂糖有助于提供细胞强度和脚手架，类似于支撑建筑物墙壁砖块的砂浆。

“我们发现使用合适的支架是至关重要的，”Ross Sozzani说，他是北卡罗来纳州立大学的植物和微生物生物学教授，也是这篇论文的共同通讯作者。“当你打印生物墨水时，你需要它是液体，但当它出来时，它需要是固体。模仿自然环境有助于保持细胞信号和线索像在土壤中那样发生。”研究表明，超过一半的3D生物打印细胞是存活的，并随着时间的推移分裂形成微愈伤组织，或小的细胞菌落。

Van den Broeck说:“我们期望在细胞被生物打印的那天就有良好的生存能力，但我们从来没有让细胞在生物打印后保持过几个小时，所以我们不知道几天后会发生什么。在人工移液细胞后显示出类似的活力范围，所以3D打印过程似乎不会对细胞造成任何伤害。”

Sozzani说:“这是一个手工操作很困难的过程，3D生物打印控制液滴的压力和液滴打印的速度。生物打印为高通量处理和控制生物打印后的细胞结构提供了更好的机会，如层或蜂巢形状。”研究人员还对单个细胞进行了生物打印，以测试它们是否能够再生，或分裂和繁殖。结果表明，拟南芥的根和芽细胞需要不同的营养组合和支架才能获得最佳的活力。同时，超过40%的大豆胚胎细胞在生物打印两周后仍然存活，并随着时间的推移分裂形成微愈伤组织。

Sozzani说:“这表明3D生物打印技术可以用于研究农作物的细胞再生。”最后，研究人员研究了生物打印细胞的细胞特性。拟南芥根细胞和胚胎大豆细胞以高增殖率和缺乏固定的特性而闻名。换句话说，就像动物或人类干细胞一样，这些细胞可以变成不同的细胞类型。

“我们发现，生物打印细胞可以获得干细胞的身份;它们分裂、生长并表达特定基因，”Van den Broeck说。“当你进行生物打印时，你打印了整个细胞类型的种群。我们能够在3D生物打印后检查单个细胞表达的基因，以了解细胞身份的任何变化。”研究人员计划在3D生物打印后继续研究细胞通信，包括在单细胞水平上。

Sozzani说:“总的来说，这项研究显示了使用3D生物打印技术在受控环境中识别支持植物细胞活力和通信所需的最佳化合物的强大潜力。”

Establishing a reproducible approach to study cellular functions of plants cells with 3D bioprinting