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一个北卡罗来纳州立大学的一项新研究通过3D打印机“生物打印”这些细胞，展示了一种可重复研究不同类型植物细胞之间的细胞通信的方法。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，并可能最终导致创造更好的作物品种和最佳的生长环境。
研究人员从模型植物中生物打印细胞拟南芥从大豆中，不仅要研究植物细胞在生物打印后是否能存活——以及存活多久——还要研究它们是如何获得和改变它们的身份和功能的。
“植物的根有很多不同的细胞类型，它们都有专门的功能，”北卡罗来纳州立大学博士后研究员丽莎·范·登·布洛克(Lisa Van den Broeck)说，她是描述这项工作的论文的第一作者。“也有不同的基因被表达;有些是细胞特异性的。我们想知道生物打印活细胞并将它们放入你设计的环境后会发生什么。他们还活着，做着他们应该做的事吗?”
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，只是做了一些必要的调整。
Van den Broeck说:“我们使用‘生物墨水’或活的植物细胞，而不是3D打印墨水或塑料。”“这两个过程的机制是相同的，只有植物细胞有一些显著的区别:紫外线过滤器用于保持环境无菌，多个打印头(而不是一个)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、生长激素和一种叫做琼脂糖的增稠剂(一种海藻化合物)一起被生物打印出来。琼脂糖有助于提供细胞强度和脚手架，类似于支撑建筑物墙壁砖块的砂浆。
“我们发现，使用适当的支架是至关重要的，”北卡罗来纳州立大学植物和微生物生物学教授罗斯·索珊尼(Ross Sozzani)说，他是这篇论文的共同通讯作者。“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像在土壤中一样发生。”
研究表明，超过一半的3D生物打印细胞是活的，并随着时间的推移分裂形成微愈伤组织或小细胞集落。
Van den Broeck说:“我们预计细胞在生物打印当天具有良好的生存能力，但我们从来没有在生物打印后将细胞维持过几个小时，所以我们不知道几天后会发生什么。”“在手动移液细胞后也显示出类似的生存能力范围，所以3D打印过程似乎对细胞没有任何伤害。”
Sozzani说:“这是一个手工操作困难的过程，3D生物打印控制液滴的压力和液滴打印的速度。”“生物打印为高通量处理和控制生物打印后细胞的结构提供了更好的机会，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，以测试它们是否能够再生、分裂和繁殖。研究结果表明拟南芥根和芽细胞需要不同的营养组合和支架来获得最佳的生存能力。
同时，超过40%的大豆胚胎细胞在生物打印两周后仍能存活，并随着时间的推移分裂形成微愈伤组织。
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。拟南芥根细胞和大豆胚胎细胞以高增殖率和缺乏固定身份而闻名。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特性;它们分裂、生长并表达特定的基因，”Van den Broeck说。“当你进行生物打印时，你打印了整个细胞类型。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，包括在单细胞水平上。
Sozzani说:“总而言之，这项研究显示了使用3D生物打印技术来确定在受控环境中支持植物细胞活力和通信所需的最佳化合物的强大潜力。”
这项研究发表在科学的进步由美国国家科学基金会EAGER资助MCB #203928和巴斯夫植物科学公司支持。蒂姆·霍恩，北卡州立大学机械与航空航天工程助理教授，是这篇论文的共同通讯作者。
-kulikowski -
编辑须知本文摘要如下。
“用3D生物打印建立一种可重复的方法来研究植物细胞的细胞功能”
作者: Lisa Van den Broeck, Michael F Schwartz, Srikumar Krishnamoorthy, Maimouna Abderamane Tahir, Ryan J Spurney, Imani Madison, Charles Melvin, Mariah Gobble, Thomas Nguyen, Rachel Peters, Aitch Hunt, Atiyya Muhammad, Baochun Li, Maarten Stuiver, Timothy Horn, Rosangela Sozzani
发表: 2022年10月14日科学的进步
DOI: 10.1126 / sciadv.abp9906
摘要在三维(3D)环境中捕捉细胞间信号是研究细胞功能的关键。目前培养方法的主要挑战是缺乏准确捕捉多细胞3D环境。在这项研究中，我们建立了一个3D生物打印植物细胞的框架，以研究细胞活力、细胞分裂和细胞身份。我们建立了生物打印的长期细胞活力拟南芥还有大豆细胞。为了分析生成的大型图像数据集，我们开发了一个高通量图像分析管道。此外，我们还展示了生物打印细胞的细胞周期再入，其时间与核心细胞周期基因和再生相关基因的诱导一致，最终导致微愈伤组织的形成。最后，生物打印的身份拟南芥表达内胚层标记的根细胞维持时间较长。这里建立的框架为3D生物打印在研究细胞重编程和细胞周期再进入组织再生方面的普遍使用铺平了道路。
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