生物3D打印应用 | 体外骨骼肌药筛模型

背景

骨骼肌作为人体内最丰富的组织器官，在人体各处均有身影，重量更是占到了人体的20 – 50%。得益于丰富的骨骼肌，我们能够顺利完成各种动作，成为“动”物。正因为骨骼肌如此重要，与之相对的疾病——肌肉萎缩对于生活的影响也十分严重。同时，缺乏有效的治疗药物也让该类疾病变得十分棘手。药物开发正在进行，然而现行的开发过程费用高、时间久、成功率低，使得患者在心理上难以承受长期且不稳定的研发等待。因此为了提高临床前的药物筛选效率，3D微生理系统（Micro-physiology systems，MPS）——一种在培养皿上模拟人体生理和疾病效果的技术——逐渐被科研人员所重视。Angela Alave Reyes-Furrer等人便是在此技术上，通过生物3D打印的方式，在体外构建骨骼肌模型，希望能够用于药物筛选。

方法

作者使用瑞士regenHU生物3D打印机3DDiscovery的电磁阀喷墨打印头完成主要的打印工作。相比于经典的挤压打印方式，微型电磁阀喷墨能够有效减少打印时的剪切力，提高细胞存活率。因使用的基质胶（Matrigel）具有低温流动，高温凝固的特性，因而在打印机上搭配了水循环制冷系统，确保打印材料在低温（＜10℃）环境下喷出。使用的生物墨水分散有原代人肌肉前体细胞（Primary human muscle precursor cells），打印后培养一周形成可收缩、有纹理的肌纤维，即获得了体外骨骼肌模型。期间可观察到模型体积缩小，表明肌肉细胞产生拉力（图1）。

结果

作者主要进行了刺激反应和收缩力两方面的测试。

对于刺激反应，作者给予肌肉模型单次电刺激，模型产生了相应的抽搐收缩（图2）。为了更真实地模拟肌肉工作，作者将单次刺激转为电脉冲系统（Electrical pulse stimulation，EPS），给予连续3 h的脉冲刺激，证实了白细胞介素-6肌因子（Interleukin-6 myokine）的表达和蛋白激酶B肥大通路（AKT hypertrophy pathway）的激活（图3）。