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 ”这些细胞来研究不同类型的植物细胞之间的细胞通讯。学习更多关于植物细胞如何相互“沟通”--以及与环境“沟通”--是了解更多关于植物细胞功能的关键。这最终可能导致产生最佳的生长环境和更好的作物品种。

该研究于10月14日发表在《科学进展》杂志上，来自北卡罗来纳州立大学。

科学家们对模式植物拟南芥和大豆的细胞进行了生物打印。他们想研究植物细胞在被生物打印后是否会存活--以及存活多长时间。此外，他们还想研究它们如何获得和改变它们的身份和功能。

北卡罗来纳州立大学博士后研究员Lisa Van den Broeck说：“植物的根部有很多不同的细胞类型，具有专门的功能，”她是描述这项工作的论文的第一作者。“也有不同的基因集被表达；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中后会发生什么。它们是否还活着，并且在做它们应该做的事情？”

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。

Van den Broeck说：“我们不使用3D打印墨水或塑料，而是使用‘生物墨水’，或活的植物细胞。这两个过程的机械原理是相同的，但植物细胞有几个明显的区别：一个紫外线过滤器用于保持环境无菌，多个打印头--而不是只有一个--同时打印不同的生物墨水。”

没有细胞壁的活体植物细胞，或原生质体，与营养物质、生长激素和一种叫做琼脂糖的增稠剂（一种海藻类化合物）一起进行了生物打印。琼脂糖有助于为细胞提供强度和“脚手架”，类似于支持建筑墙体中砖块的砂浆。

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：“我们发现，使用适当的支架是至关重要的。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细胞信号和线索在土壤中的发生。”

研究表明，超过一半的3D生物打印细胞是可行的，并随着时间的推移而分裂，形成小的细胞群。

Van den Broeck说：“我们预计在细胞进行生物打印的当天会有很好的存活率，但是我们从来没有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。手动移液细胞后显示出类似的活力范围，所以3D打印过程似乎不会对细胞造成任何伤害。”

“这是一个手动的困难过程，而3D生物打印控制了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控制生物打印后的细胞结构提供了更好的机会，如层状或蜂窝状。”

研究人员还对单个细胞进行了生物打印，以测试它们是否能够再生，或进行分裂和繁殖。研究结果表明，拟南芥的根和芽细胞需要不同的营养物质和支架组合以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后仍保持活力，并且还随着时间的推移而分裂，形成小的细胞群。

Sozzani说：“这表明3D生物打印可以用于研究作物植物的细胞再生。”

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

“我们发现，生物打印的细胞可以拥有干细胞的身份；它们分裂和生长，并表达特定的基因，”Van den Broeck说。“当你进行生物打印时，你打印的是整个细胞类型的群体。我们能够检查3D生物打印后单个细胞所表达的基因，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，包括在单细胞水平。Sozzani说：“总而言之，这项研究显示了使用3D生物打印的强大潜力，以确定在受控环境中支持植物细胞生存能力和通信所需的最佳化合物。”