3D打印植物细胞显示出研究细胞功能的希望

北卡罗来纳州立大学的一项新研究显示了一种通过 3D 打印机“生物打印”这些细胞来研究不同类型植物细胞之间细胞通讯的可重复方法。更多地了解植物细胞如何相互交流——以及与它们的环境——是了解更多植物细胞功能的关键，并最终可能导致创造更好的作物品种和最佳的生长环境。

研究人员对来自模式植物拟南芥和大豆的细胞进行了生物打印，不仅研究了植物细胞在生物打印后是否会存活以及存活多长时间，而且还研究了它们如何获得和改变其身份和功能。

“植物根部具有许多具有特殊功能的不同细胞类型，”北卡罗来纳州博士后研究员、描述这项工作的论文的第一作者 Lisa Van den Broeck 说。“还有不同的基因组被表达;有些是细胞特异性的。我们想知道在你对活细胞进行生物打印并将它们放入你设计的环境后会发生什么：它们是否还活着并在做他们应该做的事情?”

3D生物打印植物细胞的过程在机械上类似于打印墨水或塑料，但有一些必要的调整。

“我们不使用 3D 打印墨水或塑料，而是使用‘生物墨水’或活植物细胞，”Van den Broeck 说。“这两个过程的机制是相同的，但植物细胞有一些显着差异：用于保持环境无菌的紫外线过滤器和多个打印头——而不仅仅是一个——同时打印不同的生物墨水。”

没有细胞壁或原生质体的活植物细胞与营养物质、生长激素和一种称为琼脂糖的增稠剂(一种基于海藻的化合物)一起被生物打印。琼脂糖有助于提供细胞强度和支架，类似于支撑建筑物墙壁中的砖的砂浆。

“我们发现使用适当的脚手架至关重要，”北卡罗来纳州立大学植物和微生物生物学教授、该论文的共同通讯作者 Ross Sozzani 说。“当你打印生物墨水时，你需要它是液态的，但当它出来时，它必须是固态的。模仿自然环境有助于保持细胞信号和线索的出现，就像它们在土壤中一样。”

研究表明，超过一半的 3D 生物打印细胞是有活力的，并随着时间的推移分裂形成微愈伤组织或小细胞群。

“我们预计细胞在生物打印当天有良好的生存能力，但我们从未在生物打印后维持细胞超过几个小时，所以我们不知道几天后会发生什么，”Van den Broeck 说。“在手动移液细胞后会显示类似的存活率范围，因此 3D打印过程似乎不会对细胞造成任何伤害。”

“这是一个手动困难的过程，3D 生物打印控制液滴的压力和打印液滴的速度，”Sozzani 说。“生物打印为高通量处理和生物打印后对细胞结构的控制提供了更好的机会，例如层或蜂窝形状。”

研究人员还对单个细胞进行了生物打印，以测试它们是否可以再生、分裂和繁殖。研究结果表明，拟南芥的根和茎细胞需要不同的营养组合和支架才能获得最佳生存能力。

与此同时，超过 40% 的单个大豆胚胎细胞在生物打印两周后仍然存活，并且随着时间的推移也分裂形成微愈伤组织。

“这表明 3D 生物打印可用于研究作物植物的细胞再生，”Sozzani 说。

最后，研究人员研究了生物打印细胞的细胞特性。拟南芥根细胞和胚胎大豆细胞以高增殖率和缺乏固定特性而闻名。换句话说，就像动物或人类干细胞一样，这些细胞可以变成不同的细胞类型。

“我们发现生物打印的细胞可以具有干细胞的特性;它们分裂、生长并表达特定的基因，”Van den Broeck 说。“当您进行生物打印时，您可以打印整个细胞类型。我们能够在 3D 生物打印后检查单个细胞表达的基因，以了解细胞身份的任何变化。”

研究人员计划在 3D 生物打印后继续研究细胞通信，包括单细胞水平。

“总而言之，这项研究显示了使用 3D 生物打印来确定在受控环境中支持植物细胞活力和交流所需的最佳化合物的强大潜力，”Sozzani 说。

该研究发表在《科学进展》中。北卡罗来纳州立大学机械和航空航天工程助理教授蒂姆·霍恩是该论文的共同通讯作者。