天然的組織由種類繁多的體細(xì)胞構(gòu)成。這些細(xì)胞在三維空間上有序排列，形成復(fù)雜的3D微環(huán)境。不同細(xì)胞之間的串?dāng)_可以顯著調(diào)節(jié)它們各自的增殖、遷移和分化行為。此外，組織細(xì)胞在三維空間上的分布也會對它們的行為和命運(yùn)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響?；谶@些關(guān)鍵的發(fā)現(xiàn)，目前已經(jīng)有許多研究嘗試制備各種多細(xì)胞組織工程支架以期能夠重現(xiàn)復(fù)雜的3D細(xì)胞生態(tài)位。然而，在早期許多關(guān)于多細(xì)胞支架的研究中，研究者們僅僅以無序的方式將多種細(xì)胞簡單混合在一起。這種無序混合的方式使得研究者很難精準(zhǔn)地研究各種細(xì)胞間的相互影響以及單種細(xì)胞在共培養(yǎng)系統(tǒng)中的貢獻(xiàn)。隨著技術(shù)的發(fā)展，微流控技術(shù)以及生物打印技術(shù)的出現(xiàn)，使得精準(zhǔn)調(diào)控多種細(xì)胞在三維空間上的分布成為可能。然而，微流控技術(shù)構(gòu)建的多細(xì)胞共培養(yǎng)模型無法作為植入物用于體內(nèi)實驗驗證。而生物打印技術(shù)的材料選擇局限于水凝膠等軟材料。并且在分離細(xì)胞用于研究單種細(xì)胞的貢獻(xiàn)時，往往需要使用細(xì)胞分選磁珠。這種方法過程繁瑣且成本高昂。因此，考慮到以上諸多問題，構(gòu)建一種具有廣泛適用性的多功能多細(xì)胞組織工程支架仍然具有挑戰(zhàn)性。

針對這些問題及挑戰(zhàn)，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所吳成鐵研究員帶領(lǐng)團(tuán)隊提出將模塊化組裝策略與3D打印技術(shù)相結(jié)合，制備出了可組裝/拆卸的模塊化支架用于復(fù)雜多細(xì)胞組織再生。該研究首先利用光固化3D打印技術(shù)制備各種支架模塊，然后將擔(dān)載不同細(xì)胞的模塊組裝成具有模塊化空間結(jié)構(gòu)的支架用于復(fù)雜多細(xì)胞組織再生。在實驗中，通過改變模塊的宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計、打印漿料的原料可以很容易制備出具有定制化結(jié)構(gòu)、基于多種材料體系的模塊化支架。此外，模塊化支架的可拆卸屬性使得研究者可以深入研究每種細(xì)胞類型在多細(xì)胞共培養(yǎng)系統(tǒng)中的具體貢獻(xiàn)。這種模塊化空間結(jié)構(gòu)支架在許多領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的適用性，包括復(fù)雜組織工程、多細(xì)胞串?dāng)_研究以及藥物篩選。

在體外細(xì)胞實驗中，基于模塊化組裝的策略，研究者們成功構(gòu)建了軟骨細(xì)胞-間充質(zhì)干細(xì)胞、巨噬細(xì)胞-間充質(zhì)干細(xì)胞以及內(nèi)皮細(xì)胞-間充質(zhì)干細(xì)胞三種多細(xì)胞共培養(yǎng)模型。細(xì)胞實驗結(jié)果表明模塊化支架可以為各種組織細(xì)胞間的串?dāng)_創(chuàng)造一個有益的微環(huán)境。各種細(xì)胞間的串?dāng)_能有效促進(jìn)這些細(xì)胞的增殖和分化行為。并且，模塊化支架上的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞可以通過調(diào)控NFAT相關(guān)信號通路進(jìn)一步影響軟骨細(xì)胞的行為，證明骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞可以通過旁分泌調(diào)控軟骨細(xì)胞的行為及命運(yùn)。此外，體內(nèi)動物實驗表明裝載軟骨細(xì)胞-骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞共培養(yǎng)系統(tǒng)的模塊化支架可以提供一個有益的仿生微環(huán)境，從而促進(jìn)骨軟骨組織的一體化修復(fù)。這種可組裝/拆卸的模塊化支架為多細(xì)胞組織工程的發(fā)展提供了一種新思路。

該研究成果以“Assembled/Disassembled Modular Scaffolds for Multicellular Tissue Engineering”為題近日發(fā)表在Advanced Materials期刊上（Adv. Mater. 2024, 36, 2308126），并申請了一項發(fā)明專利。論文的第一作者為上海硅酸鹽所2018級直博生喻小鵬，通訊作者為吳成鐵研究員。相關(guān)研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊計劃等基金的資助。

圖1.可組裝/拆卸的模塊化生物陶瓷支架用于多細(xì)胞組織工程

圖2. 3D打印可組裝/拆卸的模塊化生物陶瓷支架的示意圖、照片及三維重建模型。（A）由圓形模塊組裝成的模塊化支架。（B）由方形模塊組裝成的模塊化支架。（C）具有漢諾塔結(jié)構(gòu)的模塊化支架。（D）模塊化生物陶瓷支架是由5層3D打印的圓形模塊組裝而成。（E）3D打印的方形模塊可以被組裝成不同的尺寸的生物陶瓷支架。（F）具有漢諾塔結(jié)構(gòu)的模塊化支架是由不同直徑的圓形模塊組裝而成。（G）3D打印的支架模塊可以被組裝成定各種制化結(jié)構(gòu)，比如“SIC”（上海硅酸鹽所簡稱）。（H，I）圓形模塊化支架的Micro-CT重建模型。

圖3.裝載軟骨-骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞共培養(yǎng)系統(tǒng)的模塊化支架用于骨軟骨組織再生。（A）裝載軟骨-骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞單培養(yǎng)及共培養(yǎng)系統(tǒng)的模塊化支架的示意圖。（B）軟骨-骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞在單培養(yǎng)及共培養(yǎng)系統(tǒng)中的增殖活力。（C）骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞在單培養(yǎng)及共培養(yǎng)系統(tǒng)中表達(dá)的成骨相關(guān)基因水平。（D）軟骨細(xì)胞在單培養(yǎng)及共培養(yǎng)系統(tǒng)中表達(dá)的軟骨成熟相關(guān)基因水平。（E）不同組中骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞內(nèi)COL-I的免疫熒光圖像。（F）不同組中軟骨細(xì)胞內(nèi)COL-II的免疫熒光圖像。

圖4. 骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞對軟骨細(xì)胞影響的機(jī)制研究。（A）軟骨-骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞共培養(yǎng)組中軟骨細(xì)胞表達(dá)的NFAT1基因顯著上調(diào)。（B）經(jīng)普卡霉素處理后，軟骨-骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞共培養(yǎng)組中骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞表達(dá)的RCN2基因顯著下調(diào)。（C）在與MTM處理的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞共培養(yǎng)后，軟骨細(xì)胞表達(dá)的NFAT1基因顯著上調(diào)。（D）經(jīng)RCN2蛋白處理后，軟骨細(xì)胞表達(dá)的NFAT1基因顯著下調(diào)。（E）不同組中軟骨細(xì)胞內(nèi)NFAT1的免疫熒光圖像。（F）經(jīng)siRNA處理后，軟骨細(xì)胞內(nèi)的RCN2基因被敲低。（G）經(jīng)siRNA處理后，軟骨細(xì)胞內(nèi)的NFAT1基因表達(dá)上調(diào)。（H）經(jīng)siRNA處理后，軟骨細(xì)胞成熟相關(guān)基因(COL II、SOX9)的表達(dá)顯著上調(diào)。（I）經(jīng)siRNA處理后，軟骨細(xì)胞內(nèi)的RCN2蛋白表達(dá)下調(diào)。敲低RCN2可促進(jìn)NFAT1 (J)和SOX9 (K)蛋白的表達(dá)。

圖5. 裝載軟骨細(xì)胞及骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的模塊化支架用于體內(nèi)骨軟骨組織再生。（A）術(shù)后8周取材的兔子股骨照片。（B）支架（紅色）及新生骨組織（綠色）的橫切面及縱切面的Micro-CT圖像。（C）新骨體積在缺損部位總體積中占比的統(tǒng)計分析。（D）術(shù)后8周不同組中新生骨組織的Van-Gieson染色。（E）不同組中新生骨組織面積的統(tǒng)計分析。（F）術(shù)后8周不同組中新生軟骨的番紅固綠染色切片。