生物3D打印应用 | 体外骨骼肌药筛模型

背景

骨骼肌作为人体内最丰富的组织器官，在人体各处均有身影，重量更是占到了人体的20 – 50%。得益于丰富的骨骼肌，我们能够顺利完成各种动作，成为“动”物。正因为骨骼肌如此重要，与之相对的疾病——肌肉萎缩对于生活的影响也十分严重。同时，缺乏有效的医疗药物也让该类疾病变得十分棘手。药物开发正在进行，然而现行的开发过程费用高、时间久、成功率低，使得患者不能心理上难以承受长期且不稳定的研发等待。因此为了提高临床前的药物筛选效率，3D微生理系统（Micro-physiology systems，MPS）——一种在培养皿上模拟人体生理和疾病效果的技术——逐渐被科研人员所重视。Angela Alave Reyes-Furrer等人便是在此技术上，通过生物3D打印的方式，在体外构建骨骼肌模型，希望能够用于药物筛选。

方法

作者使用瑞士regenHU生物3D打印机3DDiscovery的电磁阀喷墨打印头完成主要的打印工作。相比于经典的挤压打印方式，微型电磁阀喷墨能够有效减少打印时的剪切力，提高细胞存活率。因使用的基质胶（Matrigel）具有低温流动，高温凝固的特性，因而在打印机上搭配了水循环制冷系统，确保打印材料在低温（＜10℃）环境下喷出。使用的生物墨水分散有原代人肌肉前体细胞，打印后培养一周形成可收缩、有纹理的肌纤维，即获得了体外骨骼肌模型。期间可观察到模型体积缩小，表明肌肉细胞产生拉力（图1）。

图1 打印后细胞分化过程

结果

作者主要进行了刺激反应和收缩力两方面的测试。

对于刺激反应，作者给予肌肉模型单次电刺激，模型产生了相应的抽搐收缩（图2）。为了更真实地模拟肌肉工作，作者将单次刺激转为电脉冲系统（Electrical pulse stimulation，EPS），给予连续3 h的脉冲刺激，证实了白细胞介素-6肌因子（Interleukin-6 myokine）的表达和蛋白激酶B肥大通路（AKT hypertrophy pathway）的激活（图3）。

图2 肌肉收到刺激后收缩

图3 EPS诱导（+）的模型AKT肥大通路激活和白细胞介素-6表达于第12（d12）、16（d16）、19（d19）天的情况与控制组（-）对比：a）Thr308磷酸化比例；b）Ser473磷酸化比例；c）白细胞介素-6基因表达。统计方法：未配对t检验，*p < 0.05，**p < 0.01，***p < 0.001。

对于收缩力，作者从刺激次数、电流大小、持续时间等方面进行了考察。分别在25 Hz、300 mA、2 ms下获得较大的收缩力值（图4）。随后的进一步实验则添加了常见的肌肉收缩促进剂（Caffeine）和肌钙蛋白激活剂Tirasemtiv（Troponin C activator），发现均能提升肌肉的收缩力（图5）。

图4 电流大小（a）、刺激次数（b）、持续时间（c）对收缩力的影响

图5 Caffeine（左）和Tirasemtiv（右）对于肌肉收缩力的提升。统计方法：未配对t检验，****p < 0.0001。

小    结

作者Angela Alave Reyes-Furrer等人首次在体外使用微生理系统重现肌肉刺激药物对于运动和收缩力地提升，这一技术非常适合于临床前的药物筛选，期待其应用于新型药物开发以医疗肌肉萎缩。

参考文献

[1] Alave Reyes-Furrer, A., De Andrade, S., Bachmann, D. et al. Matrigel 3D bioprinting of contractile human skeletal muscle models recapitulating exercise and pharmacological responses. Commun Biol 4, 1183 (2021). https://doi.org/10.1038/s42003-021-02691-0