如何在单细胞分辨率下制造组织？

最近在高分辨率生物制造(如单细胞水平)方面的进展极大地提高了生物制造的能力，为组织工程开辟了新的途径。然而，目前还缺乏一篇全面的综述，概述了各种生物制造技术(超越生物打印)，这些技术可以实现单细胞分辨率(超越单细胞操作)，但涵盖了生物医学中的应用。来自清华大学的科学家们提供了一个视角来回顾单细胞分辨率的工程生命系统生物制造的进展。

Ouyang博士团队的研究兴趣包括复杂生物材料和细胞系统的设计、制造和应用，重点是3D生物打印和先进生物制造技术的发展，用于组织工程和再生医学。由于细胞是生命系统的基本单位，他们认为具有单细胞特征的工程生命系统对于再现原生组织中的微环境很重要。

这篇发表在《国际极端制造杂志》上的综述综述了基于不同维度单细胞特征的细胞构建块的模块化组装的生物制造方法，并提供了对最新进展的信息介绍。

“单细胞分辨率的异质性在自然生命系统中是一种常见现象，因此操纵单细胞重建工程生命系统的技术是有价值的。但应该充分考虑产品的机械强度和制造效率等几个因素，为特定用途选择合适的单细胞构件是很重要的，”清华大学机械工程副教授、该评论的资深作者Liiang Ouyang博士说。

“原则上，构建块的大小将决定结构的最小特征，并且用较小的构建块组装大型细胞结构需要更长的时间。为了同时实现高分辨率和制造效率，我们建议采用模块化组装策略，使不同尺寸的构建块能够共同组装，形成所需的异质结构，”博士生、该论文的第一作者Dezhi Zhou说。

每种类型的组织/器官都有其独特的结构来实现其功能。例如，胰岛由至少五种类型的细胞组成，在几个细胞的维度内形成特殊的连接，通过细胞间相互作用维持血糖稳态;骨骼肌是一种各向异性的组织，由肌外膜包裹着束状肌束，肌束在松弛和收缩之间有序转换，表现出正常的功能。肺泡是另一个例子，它呈现出由毛细血管网络包围的多层壁，用于气体交换。独特的多层结构，厚度仅为几微米，可提供大表面(100-140 m2)进行有效的气体交换。因此，重建这些拓扑结构是保证工程生命系统功能的基础。

“就像玩乐高一样，我们选择合适的积木，把它们组合成我们想要的东西”。这对于建立一个模拟自然生命系统的复杂结构非常有帮助。“但对科学家来说，如何创造合适的生命积木，并可控地组装它们，是一个持久的挑战”。

基于“分散-沉积”原理，复杂的生命系统可以被视为各种离散元素的集合，包括单细胞特征构建块和细胞种群/生物材料构建块。然后，可以生成每个离散元素的对应元素并将其放在一起以重建所需的对象。“我们相信，这两种构建模块的结合可以帮助构建具有物理化学和生物特征的复杂组织。”