使用3D打印機“生物打印”植物細胞提供了一種可重復(fù)的研究細胞通訊的方法。

新的研究揭示了一種可重復(fù)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(huán)境通信是更多地了解植物細胞功能的關(guān)鍵。這最終可能導(dǎo)致產(chǎn)生最佳的生長環(huán)境和更好的作物品種。

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

科學(xué)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?nèi)绾潍@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(shè)計的環(huán)境中后會發(fā)生什么：它們是否活著并做他們應(yīng)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(diào)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(diào)整。圖片來源：麗莎·范登布洛克，北卡羅來納州立大學(xué)

“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(huán)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(zhì)體的活植物細胞與營養(yǎng)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(fā)現(xiàn)使用適當(dāng)?shù)哪_手架至關(guān)重要，”北卡羅來納州立大學(xué)植物和微生物生物學(xué)教授，該論文的共同通訊作者Ross Sozzani說。“當(dāng)你打印生物墨水時，你需要它是液體的，但是當(dāng)它出來時，它需要是固體。模仿自然環(huán)境有助于保持細胞信號和線索像在土壤中一樣發(fā)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(dāng)天具有良好的活力，但我們從未在生物打印后幾個小時內(nèi)維持細胞，因此我們不知道幾天后會發(fā)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(jié)構(gòu)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(jié)果表明，擬南芥根和芽細胞需要不同的營養(yǎng)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(fā)現(xiàn)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(dāng)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(xù)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(huán)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(fā)表在《科學(xué)進展》上，并得到了美國國家科學(xué)基金會 EAGER 資助 MCB #203928 和巴斯夫植物科學(xué)的支持。北卡羅來納州立大學(xué)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(fù)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(huán)境中捕獲細胞間信號是研究細胞功能的關(guān)鍵。當(dāng)前培養(yǎng)方法的一個主要挑戰(zhàn)是缺乏準(zhǔn)確捕獲多細胞3D環(huán)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?yōu)樯锎蛴〉臄M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(shù)據(jù)集，我們開發(fā)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(guān)基因的誘導(dǎo)相吻合，最終導(dǎo)致微卡魯?shù)男纬伞Ｗ詈螅锎蛴〉臄M南芥根細胞表達內(nèi)胚層標(biāo)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。