近幾年，隨著對實驗倫理的逐漸重視，盡量避免不必要的動物實驗已成為許多實驗室制定實驗方案的標準之一。同時，為了保證實驗數據的真實、準確及充足，使用動物以外的體外模型開始為人們所重視。然而直到目前，標準化的操作方案依舊稀缺，這使得廣大的科學工作者缺乏既定規范，進而拖慢實驗進度，實驗結果也無法被廣泛接受。
 
另一方面，盡管針對于毒性測試的真皮模型已經得到驗證，但對于與藥物吸收相關的器官諸如肺、腸等的報道仍然缺乏。
 
在此背景下，伍倫貢大學副教授Jeremy Micah Crook在其主編的3D Bioprinting一書第13章中，就使用3D打印機構建腸道（除此以外還包括肺泡和支氣管）體外模型制定了詳細、全面的規程（Protocol），為廣大科研工作者提供方案參考。 
 
 
Fig.1 3D Bioprinting第13章
 

章節作者Manuela等人選用Caco-2腸上皮細胞系作為腸體外模型的細胞原料。該細胞系源自結腸癌，在培養過程中經過自發分化，成為了具有形態學表達和功能特征的成熟腸上皮細胞。為了使細胞能夠得到良好的附著，規程建議先打印一層細胞基底。而膠原蛋白I型作為哺乳動物體內最常見的蛋白質，被規程推薦作為細胞基底材料。
 
打印設備的選擇往往是生物3D打印過程的關鍵，優秀的設備不但能夠滿足科研工作者的要求，還能額外減少工作負擔、提升工作效率。為保證實驗過程的可靠性和通用性，作者選用了瑞士公司regenHU所生產的生物3D打印機——3D Discovery™（配原廠生物安全柜款）。同時，為保證細胞在打印過程中的活性，同時選購了3副regenHU細胞親和性打印頭（CF-300N）和細胞攪拌器。通過在細胞親和性打印頭上配備微型閥，能夠最大程度降低傳統噴墨打印中切向力對細胞造成的傷害，從而實現最高達95%的細胞存活率。細胞攪拌器則能夠防止長時間打印過程中的細胞在料倉中沉淀。于此同時，3D Discovery™隨機配備的生物安全柜能夠保證實驗全程的無菌環境，與打印機配套的人機交互軟件HMI、建模軟件BioCAD™則給科研工作者提供了穩定、全方面的儀器使用體驗。
 


 
 
Fig.1 a) 3D Discovery™儀器主體，包括生物安全柜、主機、人機交互軟件 (HMI); b) 打印頭，包括3副細胞親和性打印頭、1副傳統氣動擠壓打印頭、墨盒冷卻配件、細胞攪拌器等。
 
在規程的最后，作者也提供了許多表征方法，如乳酸脫氫酶測定細胞成活率、跨膜組織測定上皮組織貼片是否形成、細胞染色并進行共聚焦成像確認細胞形態等，詳細的方法在書中均有詳細介紹。
 
 
Fig.2 使用DAPI和鬼筆環肽分別對細胞核（青色）和纖維狀肌動蛋白（洋紅）進行染色后使用共聚焦顯微鏡成像
 

詳細的步驟和內容為正要和即將進行類似實驗的科研工作者提供了便利，正如作者所言，該規程對于高通量的藥物毒性篩選和藥物藥效評價非常有效。但另一方面，該規程提供的案例仍然停留在單層細胞層面，具有厚度的組織貼片乃至完整的組織打印仍然需要不斷的嘗試，而這也是regenHU生物3D打印機的目標。
 
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參考文獻：
[1] Estermann M., Bisig C., Septiadi D., Petri-Fink A., Rothen-Rutishauser B. (2020) Bioprinting for Human Respiratory and Gastrointestinal In Vitro Models. In: Crook J. (eds) 3D Bioprinting. Methods in Molecular Biology, vol 2140. Humana, New York, NY. https://doi.org/10.1007/978-1-0716-0520-2_13