使用3D打印機“生物打印”植物細胞提供了一種可重復的研究細胞通訊的方法。

新的研究揭示了一種可重復的方法，通過3D打印機“生物打印”這些細胞來研究不同類型的植物細胞之間的細胞通訊。更多地了解植物細胞如何相互通信以及與環境通信是更多地了解植物細胞功能的關鍵。這最終可能導致產生最佳的生長環境和更好的作物品種。

該研究于今天（10月14日）發表在《科學進展》雜志上，來自北卡羅來納州立大學。

科學家們從模型植物擬南芥和大豆中生物打印了細胞。他們想研究植物細胞在生物打印后是否會存活 - 以及存活多長時間。此外，他們還想研究他們如何獲得和改變自己的身份和功能。

“植物根具有許多具有特殊功能的不同細胞類型，”北卡羅來納州博士后研究員Lisa Van den Broeck說，她是描述這項工作的論文的第一作者。“還有不同的基因組被表達;有些是細胞特異性的。我們想知道在你生物打印活細胞并將它們放入你設計的環境中后會發生什么：它們是否活著并做他們應該做的事情？”

3D生物打印植物細胞的過程在機械上類似于打印墨水或塑料，只需進行一些必要的調整。

植物細胞由3D打印機生物打印，該打印機具有一些必要的調整。圖片來源：麗莎·范登布洛克，北卡羅來納州立大學

“我們使用'生物墨水'或活植物細胞，而不是3D打印墨水或塑料，”Van den Broeck說。“這兩種工藝的機制是相同的，植物細胞有一些顯著的差異：用于保持環境無菌的紫外線過濾器和多個打印頭 - 而不僅僅是一個 - 同時打印不同的生物墨水。

沒有細胞壁或原生質體的活植物細胞與營養素，生長激素和稱為瓊脂糖的增稠劑（一種基于海藻的化合物）一起進行生物打印。瓊脂糖有助于提供細胞強度和腳手架，類似于支撐建筑物墻壁磚的砂漿。

“我們發現使用適當的腳手架至關重要，”北卡羅來納州立大學植物和微生物生物學教授，該論文的共同通訊作者Ross Sozzani說。“當你打印生物墨水時，你需要它是液體的，但是當它出來時，它需要是固體。模仿自然環境有助于保持細胞信號和線索像在土壤中一樣發生。

研究表明，超過一半的3D生物打印細胞是活的，并隨著時間的推移分裂形成微鈣或小的細胞集落。

“我們期望在細胞生物打印當天具有良好的活力，但我們從未在生物打印后幾個小時內維持細胞，因此我們不知道幾天后會發生什么，”Van den Broeck說。“在手動移液細胞后顯示出類似的活力范圍，因此3D打印過程似乎不會對細胞造成任何有害影響。

“這是一個手動困難的過程，3D生物打印控制液滴的壓力和打印液滴的速度，”Sozzani說。“生物打印為生物打印后細胞結構的高通量處理和控制提供了更好的機會，例如層或蜂窩形狀。

研究人員還對單個細胞進行了生物打印，以測試它們是否可以再生，或者分裂和繁殖。研究結果表明，擬南芥根和芽細胞需要不同的營養和支架組合才能獲得最佳生存能力。

同時，超過40%的單個大豆胚胎細胞在生物打印后兩周保持存活，并且隨著時間的推移也分裂形成微鈣。

“這表明3D生物打印可用于研究作物植物中的細胞再生，”Sozzani說。

最后，研究人員研究了生物打印細胞的細胞身份。擬南芥根細胞和胚胎大豆細胞以高增殖率和缺乏固定身份而聞名。換句話說，像動物或人類干細胞一樣，這些細胞可以成為不同的細胞類型。

“我們發現生物打印的細胞可以具有干細胞的身份;它們分裂，生長并表達特定的基因，“范登布洛克說。“當你生物打印時，你打印了整個細胞類型群體。我們能夠檢查3D生物打印后單個細胞表達的基因，以了解細胞身份的任何變化。

研究人員計劃繼續研究3D生物打印后的細胞通訊，包括在單細胞水平上。

“總而言之，這項研究顯示了使用3D生物打印來確定在受控環境中支持植物細胞活力和通信所需的最佳化合物的強大潛力，”Sozzani說。

該研究發表在《科學進展》上，并得到了美國國家科學基金會 EAGER 資助 MCB #203928 和巴斯夫植物科學的支持。北卡羅來納州立大學機械和航空航天工程助理教授蒂姆·霍恩（Tim Horn）是該論文的共同通訊作者。

“建立一種可重復的方法，通過3D生物打印研究植物細胞的細胞功能”

摘要：在三維（3D）環境中捕獲細胞間信號是研究細胞功能的關鍵。當前培養方法的一個主要挑戰是缺乏準確捕獲多細胞3D環境。在這項研究中，我們建立了一個3D生物打印植物細胞的框架，以研究細胞活力，細胞分裂和細胞身份。我們為生物打印的擬南芥和大豆細胞建立了長期的細胞活力。為了分析生成的大型圖像數據集，我們開發了一個高通量圖像分析管道。此外，我們展示了生物打印細胞的細胞周期再入，其時間與核心細胞周期基因和再生相關基因的誘導相吻合，最終導致微卡魯的形成。最后，生物打印的擬南芥根細胞表達內胚層標志物的身份保持了更長的時間。這里建立的框架為3D生物打印的一般用途鋪平了道路，用于研究細胞重編程和細胞周期再入組織再生。