赖斯大学和贝勒医学院的生物工程师和科学家们在研究3D可印刷移植组织和器官的工作中，已经证明了生成具有功能性毛细血管的植入组织的关键步骤。

在生物材料科学期刊在线发表的一篇论文中，来自Rice生物工程师Jordan Miller和贝勒医学院生物物理学家Mary Dickinson的实验室的一个团队展示了如何使用人体内皮细胞和间充质干细胞的组合来启动一个叫做小管形成的过程。对血液输送毛细血管的形成至关重要。

该工作是由“诱导多能干细胞”或iPSC制成的脆弱内皮细胞(EC)的重要步骤，iPSC是一种可能由任何人类患者的细胞制成的细胞。因为iPSC可能是患者特异性的，研究人员希望找到使用它们来生成可以移植的组织和替代器官的方法，而不会被患者的免疫系统排斥。但是在实验室生长期间内皮细胞的脆弱性限制了这种关键细胞类型的利用，这种细胞类型存在于所有脉管系统中。

“我们的工作具有重要的治疗意义，因为我们证明了人体细胞的利用以及它们形成原始血管网络时能够监测其细胞生成潜力的能力，”研究主要作者Gisele Calderon说，他是米勒生理系统工程和先进材料的研究生实验室。

“我们已经证实，这些细胞具有形成毛细管样结构的能力，无论是在称为纤维蛋白的天然材料中还是在称为明胶甲基丙烯酸酯或GelMA的半合成材料中，”Calderon说。“GelMA的发现特别有趣，因为我们可以很容易地为未来的组织工程应用进行3D打印。”

组织工程，也称为再生医学，是一个旨在整合干细胞生物学和材料科学的进步以生长可移植的替代组织和器官的领域。虽然组织工程师已经发现了许多方法来诱导干细胞形成特定种类的细胞和组织，但它们仍然不能生长具有脉管系统的组织 - 毛细血管和能够为组织提供赋予生命的血液的较大血管。如果没有血管形成，厚度超过几毫米的组织将因缺乏营养而死亡，因此找到一种用血管生长组织的方法是该领域最受欢迎的进展之一。

米勒获得博士学位。在Rice于2008年，他研究了组织工程中的血管化超过14年。在宾夕法尼亚大学的博士后研究期间，他也积极参与开源3D打印运动，他在Rice的工作结合了两者。

生物工程助理教授米勒说：“最终，我们希望用活细胞进行3D打印，这一过程称为三维生物打印，可以为治疗应用创造完全血管化的组织。”“要实现这一目标，我们必须更好地了解新血管形成的机械和生理方面以及生物打印对这些过程的影响。我们正在使用三维生物打印来构建具有大型血管的组织，我们可以将这些血管连接到泵上，并将这种策略与这些iPS-EC整合在一起，帮助我们形成最小的毛细血管，从而更好地滋养新组织。

人体内每万亿个活细胞不断被称为毛细血管的微小血管供给氧气和营养物质。直径仅为千分之几毫米，一些毛细血管非常狭窄，以至于单个血细胞必须以单锉的方式挤压它们。毛细血管完全由内皮细胞网络制成，内皮细胞是排列在人体内每个血管内表面的细胞类型。

在小管形成过程中 - 制造毛细血管的第一步 - 内皮细胞经历一系列变化。首先，它们形成称为液泡的小而空的腔室，然后它们与相邻的细胞连接，将液泡连接在一起形成内皮衬里的管，最终可成为毛细血管。

“我们希望我们的研究结果将有益于血管生成的生物学研究，并将在组织工程中应用于预先血管化用高级照片图案和三维印刷制造的组织结构，”Dickinson说，Kyle和Josephine Morrow分子生理学和贝勒医学院生物物理学和赖斯生物工程学副教授。

在这项研究中，Calderon，Rice本科生Patricia Thai及其同事研究了从iPSCs生长的商业上可获得的内皮细胞是否具有发育潜能。该试验检测了两种半固体凝胶中的这种潜力 - 纤维蛋白和GelMA。最后，研究人员还研究了第二种类型的干细胞，即人间充质干细胞，是否可以提高肾小管形成的可能性。

Calderon表示，纤维蛋白被选用于实验，因为它是一种天然材料，已知可诱导小管发生伤口愈合。因此，研究人员预计内皮细胞会被诱导形成纤维蛋白中的小管。

Calderon表示，实验的第一步是开发第三代慢病毒报告基因，对细胞进行遗传修饰，产生两种类型的荧光蛋白，一种仅位于细胞核中，另一种位于细胞内。这种永久性的遗传修饰使团队能够非侵入性地观察细胞形态，并确定每个细胞的作用，以便以后进行定量测量。接下来，将细胞与纤维蛋白混合并孵育一周。Calderon和泰国人每天数次使用显微镜拍摄生长的样本。由于有两个荧光标记，延时图像显示细胞如何在其管状结构的奥德赛进展。

Calderon在贝勒医学院的光学成像和重要显微镜核心设施中进行了高级共聚焦显微镜检查。然后，Calderon和Thai使用一种名为FARSIGHT的开源软件来定量分析每个样本中管状遗传网络的三维生长模式和发育特征。在纤维蛋白中，该团队发现了强大的小管形成，正如预期的那样。他们还发现内皮细胞更难以在GelMA中形成活细管，GelMA是一种由甲基丙烯酸酯化学修饰的变性胶原蛋白混合物，可以快速光聚合。