辛辛那提儿童医院医学中心的研究人员与南特大学的同事合作，开发了一种受限培养系统（CCS）。该系统能在传统方法所需时间的一半内，生产出可移植的人类肠道类器官——且尺寸达到传统方法的十倍。

该方法聚焦于一个3D打印模具，用于制造具有纵向限制通道的生物相容性聚二甲基硅氧烷（PDMS）支架托盘。大约4000个球状体——即干细胞单层分化时形成的圆形前体结构——被装载到这些通道中。一旦就位，物理限制促使它们融合并伸长，形成管状组织结构。

到第14天，所得结构已达到移植成熟度，这相对于先前需要28天的方案是一个显著改进。传统方法在体外培养四周后仅能产生约1毫米的组织，而CCS方法在体外融合后的结构已明显更大。在将结构移植到免疫缺陷大鼠模型后的十周体内生长中，小肠CCS移植物的宽度达到8厘米，而先前方法下仅约1厘米。移植成功率也大幅提升。

CCS方法在类器官组织内产生了功能性肠神经系统的自发共发育，这无需像以前那样额外引入外源性神经嵴细胞即可实现。通过蛋白质表达分析、单细胞RNA测序和电生理测试得到证实。器官浴实验显示，CCS组织产生的节律性收缩活动与成人肠道样本相当，对神经刺激反应强烈；用河豚毒素阻断神经元活动后反应显著减弱，证实肠神经系统驱动收缩，而早期组装体组织反应微乎其微。神经肌肉收缩活性与天然人类肠道组织相当，且在结肠和胃类器官中也观察到了相同结果。

为测试CCS组织在活体系统中的功能，研究团队采用「接合」手术将移植类器官直接吻合到宿主动物肠道上，使工程组织首次接触真实的腔内容物、细菌和营养物质。组织存活后保持了屏障完整性，出现黏液变化和细胞旁通透性改善，自发性收缩幅度增加。移植后10至22周，神经元结构持续发育，肠神经系统成分迁移到黏膜下层，模式与人类青春期肠道发育相似。

尽管成果显著，仍存在重要空白。CCS内肠神经系统自发出现的机制尚不明确，传统观点认为源自迁移的神经嵴细胞，但近期证据指向其他起源，神经元来源仍是开放问题。「接合」手术模型带来挑战，术后死亡率限制了长期数据收集，但使用更大CCS组织时结果改善。所有移植实验均在免疫缺陷动物中进行，尚未在免疫正常环境中测试，这是临床不可回避的关键步骤。

辛辛那提儿童医院研究员、该研究负责人霍莉·波林博士表示：「通过以两倍速度达到移植成熟并发育出自身功能性神经，这些类器官展示了工程原理如何驱动生物学创新。我们的受限培养系统不仅仅是一种生产方法；它是一个可扩展、灵活的平台，用于构建复杂的人类组织。」

辛辛那提儿童干细胞与类器官医学中心（CuSTOM）首席科学总监、研究合著者詹姆斯·威尔斯博士强调了该平台对神经发育研究的意义。「这个平台的简单性、可重复性和通用性使其易于广泛采用，」他说，「此外，这些类器官中自组织神经系统的出现对于进一步研究神经发育障碍尤为重要。」

这项研究仍处于临床前阶段。CuSTOM联合主任、合著者迈克尔·赫尔马斯医学博士表示，在CCS衍生的组织进入人体试验之前还需要进一步开发，但他指出了长期的治疗可能性。「我们相信，一旦移植，这类组织将作为患者自身器官的一部分进一步生长和增殖，以恢复功能，」赫尔马斯说。

在更广泛的3D打印类器官领域，加州大学旧金山分校和扎克伯格生物中心开发了一种新培养材料，将海藻酸盐微粒混入标准类器官凝胶中，使得干细胞在被3D打印成特定形状后仍能成熟，结果一致性更高。资金层面，ARPA-H选择了多支大学团队开发患者特异性生物打印器官，包括Wyss研究所利用成体干细胞工程化通用临床级肝脏组织，以及加州大学圣迭戈分校生产可扩展的患者特异性生物打印肝脏，旨在消除对供体器官或免疫抑制剂的需求。CCS方法在一个方案中兼顾了大小、速度和功能复杂性，推动该领域朝着肠衰竭的临床测试迈出重要一步。

该工作发表在《自然生物医学工程》上。题为《通过瞬态球状体限制实现大规模、有神经支配的功能性人体肠道组织用于移植》的研究由Holly M. Poling、Théo Noël、Akaljot Singh、Garrett W. Fisher、Konrad Thorner、Praneet Chaturvedi、Kalpana Nattamai、Kalpana Srivastava、Matthew R. Batie、Taylor Hausfeld、Amy L. Pitstick、Nicole E. Brown、Séverine Ménoret、Ignacio Anegon、Riccardo Barrile、Christopher N. Mayhew、Takanori Takebe、James M. Wells、Michael A. Helmrath和Maxime M. Mahe完成。