近期，被誉为“科技投资女王”的华尔街明星基金经理、ARK方舟投资管理公司的首席执行官“木头姐”凯茜·伍德（Cathie Wood）团队发布了Big Ideas 2024报告，Big Ideas是ARK自2017年以来的传统。ARK从技术融合、人工智能、比特币、智能合约、精准治疗、多组学工具和技术、3D打印、电动车、自动驾驶出租车、机器人技术、自主物流、可回收火箭等方面对技术融合及其变革行业和经济的潜力进行了全面分析。
以上报告中提到的3D生物打印作为再生医学和精准医疗的新兴桥梁技术，帮助科学家和医药等生物医学研发机构构建迫切需要高保真和可再现的临床前3D细胞疾病模型成为可能。这种先进的技术再现了在体的集体细胞行为、患者特异性生理特征以及对肿瘤微环境的生物物理和生物化学特性的精确控制，可有效提高药物测试的准确性，以及搭建再生医学组织替代背后坚实的体外功能结构基础。

CELLINK 3D生物打印解决方案
近年，利用CELLINK 3D生物打印系统构建最接近在体组织生物学功能和结构的3D细胞模型创新成就层出不穷。

3D模型构建案例1
CELLINK BIO X
美国加州大学洛杉矶分校大卫·格芬医学院
通过3D生物打印和干涉测量法实现单个类器官分辨率的药物筛选
➤ 研究背景
高通量药物筛选是研究肿瘤生物学和确定治疗线索的一种成熟方法。传统的平台使用二维培养，不能准确反映人类肿瘤的生物学特性。更多临床相关的模型系统，如3D肿瘤类器官，可能难以缩放和筛选。人工播种的类器官与破坏性终点分析相结合可以表征治疗反应，但不能捕捉到临床观察到的治疗耐药性背后的短暂变化和样本内异质性。
➤ 研究方法
研究者提出了一种通过高速活细胞干涉法(HSLCI)和基于机器学习的单个类器官定量来生成无标记、定时成像的3D生物打印肿瘤类器官的实验流程。利用CELLINK BIO X 生物打印细胞产生具有不改变肿瘤组织学和基因表达谱的3D细胞结构。
➤ 研究成果
HSLCI成像与基于机器学习的分割和分类工具相结合，可以对数千个类器官进行准确、无标签的平行质量测量。我们证明，这种策略可以识别类器官对特定治疗的短暂或持续敏感或耐药，获得的信息可用于指导快速治疗选择。

通过3D生物打印技术实现单类器官分辨率高速活细胞干涉测量跟踪实验设计流程图
基于CELLINK BIO X挤出式3D生物打印技术将单层基质结构体沉积到96孔板中(第0天)。通过明场成像可以监测类器官模型的建立和生长(第0 - 3天)。处理后(第3天)，将孔板转移到高速活细胞干涉仪进行相位成像(第3 - 6天)。相干光照射生物打印结构并获得相位图像。使用HSLCI跟踪类器官长达三天，并测量类器官质量的变化以观察对治疗的反应。

 

3D模型构建案例2
CELLINK BIO X
罗马国家研究委员会复杂系统研究所和罗马萨皮恩扎大学物理系
开发肿瘤细胞球体内光的极限传输新疗法
➤ 研究背景
极端波是复杂系统中普遍存在的强烈且意想不到的波包。在光学领域，这些异常波有望成为探测和操纵底层物质的坚固且抗噪声的光束。定位大光功率是至关重要的，特别是在生物医学系统中，然而，在那里还没有观察到极端强烈的光束。
➤ 研究方法
研究者在此发现肿瘤细胞球体在被随机调制的激光束照射时表现出光学异常波。通过CELLINK BIO X 3D生物打印的3D肿瘤模型传输的光强度遵循威布尔统计分布，其中极端事件对应于在细胞网络内传播的空间局部光学模式。改变输入光束功率和大小的实验表明，异常波具有非线性起源。研究人员发现这些非线性光丝形成了高传输通道，具有增强的传输能力。它们通过肿瘤球体提供大的光功率，并且可以利用输入波形来实现局部温度升高。
➤ 研究成果
该发现揭示了光在生物聚集体中的传播，并展示了非线性极端事件的形成如何允许光在深层组织中集中，为在生物医学应用中使用异常波铺平了道路，例如光激活疗法。

3D肿瘤模型中的光传播
a. 多束光通过肿瘤细胞球体的多光散射示意图。激光束（λ = 532 nm）经空间光调制器（SLM）相位调制后通过空间光调制器（SLM）进行相位调制，并检测透射面（虚线区域）上的光强度。透射平面（虚线区域）的光强度由摄像头检测。
b. 人胰腺细胞生物打印的三维肿瘤模型（3DTM）图像。胰腺细胞生物打印的三维肿瘤模型（3DTM）的亮场显微镜图像。假色图像突出显示了高密度区域。比例尺为500 微米。斑点图显示了透过胰腺细胞的空间强度。

 

3D模型构建案例3
CELLINK BIO X
瑞典乌普萨拉大学免疫学、遗传学和病理学系，英国谢菲尔德大学神经科学系
3D生物打印构建脊髓类器官
➤ 研究背景
三维(3D)培养即类器官，已经成为疾病建模和治疗创新的一种有吸引力的工具。在这里，研究者的目标是确定边界帽神经嵴干细胞(BC)是否可以在基于明胶的3D生物打印生物链接支架中存活和分化，从而为在芯片上制造脊髓类器官建立一种使能技术。先前已证明BC能够支持共植入或共培养细胞的存活和分化，并支持兴奋性毒性脊髓中运动神经元的存活片的文化。
➤ 研究方法
研究者利用CELLINK BIO X挤出式3D生物打印机测试了不同的生物连接材料和交联材料的组合，分析了BC在支架表面和内部的存活情况，然后测试了人类iPSC衍生的神经细胞(运动神经元前体和星形胶质细胞)可以用相同的方案打印。
➤ 研究成果
研究证明这种为BC开发的方法适用于人类细胞。神经分化与打印结构的中心部分相比，在外围部分更突出，可能是因为介质中更容易获得促进分化的因素。这些发现表明明胶基和酶交联的水凝胶是构建多细胞生物打印脊髓类器官的合适生物链接，但仍需要进一步的措施来实现统一的神经分化。

在CELLINK BIO X 3D生物打印平台，利用红色荧光BC细胞打印的3D打印生物支架
(A)和(B)上面板-打印后第1天。(B)下面板和(C)打印后5周。在5周的生物支架中，细胞向打印结构的边缘移动。

3D模型构建案例4
CELLINK BIO X
美国Howard P. Isermann 伦斯勒理工学院化学与生物工程系
在3D生物打印人体皮肤模型中加入功能性毛囊
➤ 研究背景
目前的方法不能在组织工程皮肤模型中充分引入复杂的附件结构，如毛囊。
➤ 研究方法
研究者报告了使用CELLINK BIO X 3D生物打印系统将这些结构纳入工程皮肤组织。用打印的真皮乳头细胞(DPCs)和人脐静脉细胞(HUVECs)诱导球体，在含有成纤维细胞的前凝胶真皮中精确打印。在角化细胞和黑素细胞迁移的支持下，成熟后的组织发育出类似毛囊的结构，其形态和组成与天然皮肤组织非常相似。
➤ 研究成果
复杂程度更高的重建皮肤模型可以更好地模拟天然附件结构，可以对再生医学产生重大影响，如移植物和药效模型，以测试化合物的安全性。

皮肤内毛囊的3D生物打印
(A)重建皮肤模型内毛囊结构打印策略示意图。(B)培养第2天代表性皮肤模型的活体图像。生物墨水:真皮:人真皮成纤维细胞(HDFs)在大鼠尾型胶原蛋白溶液中重悬;真皮-表皮交界处:细胞培养基中的IV型胶原蛋白(2.24μg /样品);表皮:培养基中的人表皮角质形成细胞(HEKs)和人表皮黑色素细胞(HEMs);毛囊:真皮乳头细胞(DPCs)、HEKs、HEMs和人脐静脉内皮细胞(HUVECs)的混合物(10:20:2:1)。比例尺，2mm。

生物医学研究人员可以使用的生物打印技术，最常见且可实现的方法是挤出式生物打印，从打印喷嘴以压力驱动方式挤出生物墨水，用于打印具有用户定义设计的由细丝层叠组成的复杂3D结构。相比之下，DLP数字光处理式3D生物打印方法也已经出现，利用光在空间上将充满细胞的水凝胶树脂（生物树脂）图案化最终成型为分辨率达微米级更为精细的3D构造。与挤出式生物打印相比，这些技术可提供更高的分辨率。基于细胞球体的生物打印技术（通常称为生物组装），可以将细胞聚集体精确地组装成细胞密集的3D构造或包含类器官的结构。使用的生物打印方法取决于生物学问题以及关于复杂性，分辨率和细胞特性的必要考虑。

3D生物打印将取得显著进展的下一个特定领域之一是形态发生，其中涉及复杂的细胞，生化和生物物理动力学，这些动力学雕刻出了活生物体及其组成器官的形状和组成。这些复杂性可以通过生物打印的构造以某种形式概括，包括与快速发展的类器官工程领域合并。因此，3D生物打印将必成为未来解决更为广泛和复杂的生命科学、医药和医疗技术问题的关键性先进工具。

CELLINK 3D生物打印技术正在为您打开通往助力医药临床前研发降本增效的3D细胞模型，以及组织器官替代再生医学触手可及的连接路径。

-参考文献-
[1] Big Ideas 2024 | ARK Invest (ark-invest.com)
[2] Wang X, Luo Y, Ma Y, Wang P, Yao R. Converging bioprinting and organoids to better recapitulate the tumor microenvironment. Trends Biotechnol. 2023 Dec 9: S0167-7799(23)00328-1.
[3] Drug screening at single-organoid resolution via bioprinting and interferometry, 2022.Nat Comm
[4] Extreme transport of light in spheroids of tumor cells, 2023, Nat Comm
[5] Towards 3D Bioprinted Spinal Cord Organoids, 2022, Int J Mol Sci
[6] Incorporation of hair follicles in 3D bioprinted models of human skin, 2023, Science Adv
[7] [Andrew C. Daly, Margaret E. Prendergast, Alex J. Hughes, Jason A. Burdick, Bioprinting for the Biologist, Cell, Volume 184, Issue 1, 2021, Pages 18-32，https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.12.002