天然的組織由種類繁多的體細胞構成。這些細胞在三維空間上有序排列，形成復雜的3D微環境。不同細胞之間的串擾可以顯著調節它們各自的增殖、遷移和分化行為。此外，組織細胞在三維空間上的分布也會對它們的行為和命運產生深遠的影響。基于這些關鍵的發現，目前已經有許多研究嘗試制備各種多細胞組織工程支架以期能夠重現復雜的3D細胞生態位。然而，在早期許多關于多細胞支架的研究中，研究者們僅僅以無序的方式將多種細胞簡單混合在一起。這種無序混合的方式使得研究者很難精準地研究各種細胞間的相互影響以及單種細胞在共培養系統中的貢獻。隨著技術的發展，微流控技術以及生物打印技術的出現，使得精準調控多種細胞在三維空間上的分布成為可能。然而，微流控技術構建的多細胞共培養模型無法作為植入物用于體內實驗驗證。而生物打印技術的材料選擇局限于水凝膠等軟材料。并且在分離細胞用于研究單種細胞的貢獻時，往往需要使用細胞分選磁珠。這種方法過程繁瑣且成本高昂。因此，考慮到以上諸多問題，構建一種具有廣泛適用性的多功能多細胞組織工程支架仍然具有挑戰性。

針對這些問題及挑戰，團隊首先利用光固化3D打印技術制備各種支架模塊，然后將擔載不同細胞的模塊組裝成具有模塊化空間結構的支架用于復雜多細胞組織再生。在實驗中，通過改變模塊的宏觀結構設計、打印漿料的原料可以很容易制備出具有定制化結構、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胞類型在多細胞共培養系統中的具體貢獻。這種模塊化空間結構支架在許多領域展現出廣泛的適用性，包括復雜組織工程、多細胞串擾研究以及藥物篩選。

在體外細胞實驗中，基于模塊化組裝的策略，研究者們成功構建了軟骨細胞-間充質干細胞、巨噬細胞-間充質干細胞以及內皮細胞-間充質干細胞三種多細胞共培養模型。細胞實驗結果表明模塊化支架可以為各種組織細胞間的串擾創造一個有益的微環境。各種細胞間的串擾能有效促進這些細胞的增殖和分化行為。并且，模塊化支架上的骨髓間充質干細胞可以通過調控NFAT相關信號通路進一步影響軟骨細胞的行為，證明骨髓間充質干細胞可以通過旁分泌調控軟骨細胞的行為及命運。此外，體內動物實驗表明裝載軟骨細胞-骨髓間充質干細胞共培養系統的模塊化支架可以提供一個有益的仿生微環境，從而促進骨軟骨組織的一體化修復。這種可組裝/拆卸的模塊化支架為多細胞組織工程的發展提供了一種新思路。

該研究成果以“Assembled/Disassembled Modular Scaffolds for Multicellular Tissue Engineering”為題近日發表在Advanced Materials期刊上（Adv. Mater. 2024, 36, 2308126），并申請了一項發明專利。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。相關研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院穩定支持基礎研究領域青年團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）具有漢諾塔結構的模塊化支架。（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）具有漢諾塔結構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構，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-骨髓間充質干細胞共培養系統的模塊化支架用于骨軟骨組織再生。（A）裝載軟骨-骨髓間充質干細胞單培養及共培養系統的模塊化支架的示意圖。（B）軟骨-骨髓間充質干細胞在單培養及共培養系統中的增殖活力。（C）骨髓間充質干細胞在單培養及共培養系統中表達的成骨相關基因水平。（D）軟骨細胞在單培養及共培養系統中表達的軟骨成熟相關基因水平。（E）不同組中骨髓間充質干細胞內COL-I的免疫熒光圖像。（F）不同組中軟骨細胞內COL-II的免疫熒光圖像。

圖4. 骨髓間充質干細胞對軟骨細胞影響的機制研究。（A）軟骨-骨髓間充質干細胞共培養組中軟骨細胞表達的NFAT1基因顯著上調。（B）經普卡霉素處理后，軟骨-骨髓間充質干細胞共培養組中骨髓間充質干細胞表達的RCN2基因顯著下調。（C）在與MTM處理的骨髓間充質干細胞共培養后，軟骨細胞表達的NFAT1基因顯著上調。（D）經RCN2蛋白處理后，軟骨細胞表達的NFAT1基因顯著下調。（E）不同組中軟骨細胞內NFAT1的免疫熒光圖像。（F）經siRNA處理后，軟骨細胞內的RCN2基因被敲低。（G）經siRNA處理后，軟骨細胞內的NFAT1基因表達上調。（H）經siRNA處理后，軟骨細胞成熟相關基因(COL II、SOX9)的表達顯著上調。（I）經siRNA處理后，軟骨細胞內的RCN2蛋白表達下調。敲低RCN2可促進NFAT1 (J)和SOX9 (K)蛋白的表達。

圖5. 裝載軟骨細胞及骨髓間充質干細胞的模塊化支架用于體內骨軟骨組織再生。（A）術后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計分析。（D）術后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計分析。（F）術后8周不同組中新生軟骨的番紅固綠染色切片。