科学家用3D打印机“生物打印 ”植物细胞 以研究细胞功能

一项新的研究揭示了一种可重复的方法，通过3D打印机“生物打印”这些细胞，以研究不同类型植物细胞之间的细胞通讯。更多地了解植物细胞如何相互“交流”以及如何与环境“交流”是了解植物细胞功能的关键。这可能最终导致最好的生长环境和更好的作物品种。

这项研究发表在10月14日的《科学进展》杂志上，来自北卡罗来纳州立大学。

科学家已经生物打印了模式植物拟南芥和大豆的细胞。他们想研究植物细胞在被生物打印后能否存活，以及能存活多久。此外，他们还想研究自己是如何获得和改变身份和功能的。

北卡罗来纳州立大学博士后研究员丽莎·范·登布鲁克(Lisa Van den Broeck)说，“植物的根有许多不同的细胞类型，具有特殊的功能。”她是描述这项工作的论文的第一作者。“也有不同的基因组表达；有些是细胞特异性的。我们想知道在你生物打印活细胞并把它们放入你设计的环境后会发生什么。他们还活着，还在做他们应该做的事情吗？”

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。

“代替3D打印墨水或塑料，我们使用‘生物墨水’，或活植物细胞，”范登布鲁克说。这两个过程的机械原理是相同的，但在植物细胞中有几个明显的区别:一个紫外线过滤器用于保持环境无菌，多个打印头——而不仅仅是一个——同时打印不同的生物墨水。"

没有细胞壁的活植物细胞或原生质体与营养物质、生长激素和一种称为琼脂糖(一种海藻化合物)的增稠剂一起被生物打印。琼脂糖有助于为细胞提供强度和“脚手架”，类似于建筑墙壁中的砂浆支撑砖。

北卡罗来纳州立大学植物和微生物生物学教授、论文合著者罗斯·索扎尼(Ross Sozzani)说:“我们发现，使用合适的支架至关重要。当你打印生物墨水时，你需要它是液体，但当它出来时，它需要是固体。模仿自然环境有助于保持土壤中发生的细胞信号和线索。”

研究表明，超过一半的3D生物打印细胞是可行的，并随着时间的推移分裂形成一个小细胞群。

“我们预计在生物打印细胞的那一天会有很好的存活率，但我们从来不会在生物打印后保持细胞超过几个小时，所以我们不知道几天后会发生什么，”范登布鲁克说。手动吸移细胞后，显示出类似的活力范围，因此3D打印过程似乎不会对细胞造成任何伤害。"

“这是一个手工且困难的过程，而3D生物打印控制着液滴的压力和液滴的打印速度，”Sozzani说。“生物打印为高通量处理和生物打印后细胞结构的控制提供了更好的机会，如层状或蜂窝状。”

研究人员还生物打印了单个细胞，以测试它们是否能够再生，或者分裂和繁殖。结果表明，拟南芥的根和芽细胞需要不同的营养和支架组合才能获得最佳的生存能力。

同时，超过40%的单个大豆胚胎细胞在生物打印两周之后仍然保持活性，并且它们也随着时间的推移而分裂，形成一个小的细胞群。

索扎尼说:“这表明3D生物打印可以用于研究作物和植物的细胞再生。”

最后，研究人员研究了生物打印细胞的细胞特征。拟南芥根细胞和大豆胚细胞以其高增殖率和缺乏固定同一性而闻名。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。

“我们发现生物打印细胞可以具有干细胞的身份；它们分裂、生长，并表达特定的基因，”范登布鲁克说。“当你进行生物打印时，你打印的是一群完整的细胞类型。我们可以检查3D生物打印后单个细胞表达的基因，以了解细胞身份的任何变化。”

研究人员计划继续他们的工作，研究3D生物打印后的细胞通讯，包括单细胞水平。Sozzani说，“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生存和交流所需的最佳化合物的强大潜力。”