清华大学马少华团队Device：让超小样本在类器官构建中被无损/低损利用 | Cell Press对话科学家
物质科学
Physical science
清华大学深圳国际研究生院长聘副教授马少华团队近日在Cell Press细胞出版社旗下期刊Device上发表了题为“Ultra-small tissue-compatible organoid printer for rapid and controllable modeling of respiratory organoids”的论文。作者研制了自动化人源样本处理平台，实现了超小样本在类器官构建中的无损/低损利用，在未来可以为工程类器官领域提供新的解决方案。
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研究亮点
研制了自动化人源样本处理平台，实现了超小样本在类器官构建中的无损/低损利用
利用微球包裹诱导实现了快速、高通量、高均一性工程化类器官构建
高密度细胞包裹实现了类器官的微环境维持
研究简介
类器官是当前最有潜力的类人体组织体外模型，相较于传统的细胞系具有更复杂的结构与更完整的生物学功能，能对人体微环境实现更精准的模拟。相较于经典动物模型，类器官兼顾了高通量、高保真与成本可控等优势。然而，当前的类器官技术仍面临着通量低和自动化程度有限的挑战，这导致类器官难以满足在临床和产业化应用中的需求。另一方面，制备过程的高损耗造成人源超小样本处理能力极弱，极大地限制了类器官在诸如穿刺样本、儿科样本等场景下的转化使用。
我们的研究引入了OrgFab一体式高通量生物3D打印装备，能够处理小至5µL的超小样本，适用于临床研究中的活检样本，并能够精确地将类器官前体打印到96孔板、384孔板等标准实验耗材中。OrgFab的小样本处理能力使得它能通过仅10 µL的生物墨水便可产生约100个类器官前体，在孔板中进行熟化后即可进行个体化药物测试。该装备高度自动化和集成化，可以实现从微量样本注入到类器官前体打印的全流程自动化运行。系统内部集成了超微量样本注入与微球制备平台，温度控制平台与生物打印平台（图1），通过高密度微流控液滴包裹技术，可以生产微环境高保真的多种呼吸系统类器官模型。
图1 OrgFab类器官生物打印机及其原理
本研究通过一种创新的片上旋切结构实现了一种微量样本的注入与制备。通过两步制备的方法将微量样本无损的注入到片上，相较传统注射器方法将生物墨水的死体积减少至1微升。
紧接着，利用人源气道类器官对非工程化类器官（NEO）与微球工程化类器官（DEO）进行比较，发现微球工程化方法通过增加细胞支架的相对比表面积，进而促进了物质交换速率来实现了类器官的快速增殖与熟化。（图2）进而微球形支架对于细胞增殖的约束作用下，形成了均一完整的微球工程化类器官。
图2 微球工程化类器官(DEO)与传统非工程化类器官(NEO)的比较
类器官微环境一直是领域内一直试图解决的一个关键问题，免疫细胞与上皮细胞的互相作用也一直是类器官研究的一个焦点。为了探究DEO是否实现微环境相关细胞组分的长期保持，本研究通过将微环境细胞与与小鼠肺类器官同时在DEO与NEO中共培养熟化，由图3可看出，DEO相较于NEO保存了包括巨噬细胞、成纤维细胞在内的关键等对于微环境关键的细胞组分，并与原代组织细胞组分保持了高度一致。
图3小鼠肺类器官微环境维持
在通过表型层面中得到了DEO与NEO的显著差异后，本研究进一步通过高通量测序技术在转录组层面上探究两种技术路径对类器官的影响，通过对测序结果的分析可以得到，相较NEO，DEO增殖相关的信号通路被显著增强，且细胞间通信的相关基因也被显著提升，由此体现了DEO技术在快速熟化与微环境维持中的优势。
图4 DEO与NEO的转录组表达水平差异
总结
本研究提出了一种兼容临床超小样本的类器官打印机，实现了接近零样本损失的类器官前体制备。通过分子生物学表征手段揭示了使用微球包裹技术进行培养的工程化类器官通过增强细胞间通讯与提升增殖相关信号通路实现了组织微环境的维持与类器官的快速成熟。作为一种平台型技术，在未来可以为工程类器官领域提供新的解决方案。
作者专访
Cell Press细胞出版社特别邀请马少华副教授代表研究团队进行了专访，请他为大家做进一步的深入解读。
CellPress：
请简要概述这项工作的亮点。
马少华副教授：
本工作结合微流控技术与生物打印技术构建了工程化类器官生物打印机，实现了超微量样本的类器官前体制备，并实现了高通量的类器官打印，进而使用高密度细胞包裹技术实现了类器官的快速熟化与微环境的维持。
CellPress：
研究过程中遇到了哪些困难？团队是如何克服并顺利解决的？
马少华副教授：
在进行本研究的过程中，如何构建超微量样本的处理系统是最具挑战的部分。相较于传统微流控技术使用注射器进行样本的注入，但是有大量的样本由于死体积的存在而被浪费，但是临床样本具有体积小，细胞量小的特点，这导致大量的临床样本与当前的微流控技术难以兼容，针对这一问题，我们提出了片上旋切结构来实现微量样本的注入，并使用微球微流控来对样本进行均匀分割，解决了由少量样本制备类器官的难题。另外，我们积极与来自工业界的合作者进行交流，使用成熟的工业加工方案对于设计进行快速迭代与优化，最终将设计落实，并切实落实到临床需求，为未来的广泛潜在的临床应用打下基础。
CellPress：
团队下一步的研究计划是怎样的？
马少华副教授：
下一步，本团队计划基于本研究成果，将此技术更广泛应用于临床研究，利用穿刺等临床样本进行制备。在不断地临床实践中精进技术，并在癌症类器官的微环境维持等领域作出更深入的研究。
CellPress：
最后，请与我们分享一下选择Device来发表这项工作的原因。
马少华副教授：
Device作为Cell Press细胞出版社旗下旗舰期刊，发表的内容涵盖生物，化学，物理，材料等交叉领域。Cell Press作为全科学领域具有影响力的出版机构拥有良好的声誉，而Device的定位又与工程领域紧密结合，我们的工作是生物技术与工程技术的结合，所以选择Device是我们的最优选择。
主要作者简介
马少华，清华大学深圳国际研究生院长聘副教授、博士生导师，入选（获得）国家高层次青年人才项目、广东省杰青、广东青年五四奖章、深圳十大杰出青年等，以第一完成人荣获2021年日内瓦国际发明展金奖。2013年博士毕业于剑桥大学，2013至2017年在牛津大学从事博士后研究，2017年9月加入清华－伯克利深圳学院，任助理教授、副教授、长聘副教授。其研究方向是面向精准和再生医疗应用的类器官和干细胞工程，生物制造，微流控技术等，近五年以通讯作者发表Nature Machine Intelligence, Nature Communications, Science Advances, Matter, Device, Cell Reports, Cell Systems, Cell Reports Medicine, Cell Reports Physical Science, Patterns, Advanced Science等SCI论文50余篇，申请发明专利近30项，是Nature Biomedical Engineering, Nature Machine Intelligence, Cell Stem Cell, Nature Communications, Matter, Med等期刊审稿人，所指导的多位学生荣获清华大学优秀博士、硕士论文和北京市优秀毕业生等称号。
相关文章信息
研究成果发表于在Cell Press
旗下期刊Device上
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▌论文标题：
Ultra-small tissue-compatible organoid printer for rapid and controllable modeling of respiratory organoids
▌论文网址：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666998624002631
▌DOI：
https://doi.org/10.1016/j.device.2024.100420
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