頂刊GUT3D打印功能性肝臟實現(xiàn)肝衰修復

來源：上普生物

導讀：肝臟是人體最重要的器官之一，是人體代謝,、排毒,、膽汁分泌的重要器官，由于其復雜的功能性,，肝臟的治療尤為困難和重要,。北京協(xié)和醫(yī)院肝臟外科毛一雷主任團隊使用上普生物3D打印設備,，打印出具有功能性的肝臟類器官,，移植到肝衰小鼠體內后成功形成功能性血管系統(tǒng)，并可以有效延長肝衰小鼠的壽命,，具有人肝臟的藥物代謝的功能,。此研究于5月20日在線發(fā)表在消化病學和肝病學領域的頂級期刊GUT（IF=17.943）上，也是生物3D打印技術目前在實際應用方面的最深入的文章,。

目前掌握的信息和技術有哪些,？
對于晚期的器官衰竭治療，器官供體短缺仍是嚴峻的難題
生物3D打印是構建體外器官的解決方案之一
3D打印功能性組織器官及其在再生醫(yī)學的應用仍是難點

本研究有哪些突破,？
本研究的3D打印肝臟類器官具有肝臟功能,，如白蛋白分泌、藥物代謝,、糖原儲存等
3D打印肝臟類器官移植到肝衰小鼠腹腔后可以延長壽命,，分泌肝臟特異性蛋白,，并具有人肝臟的藥物代謝的功能。
移植后3D打印肝臟類器官形成功能性血管網絡,，可以有效增強營養(yǎng)物質運輸能力

此研究對于臨床有什么影響,？
此研究印證了生物3D打印技術在肝臟移植治療中的潛在價值，我們可以通過這種技術輔以相應的細胞制造出人造器官,，并將其移植到人體中并發(fā)揮正常的生理功能以治療特定疾病,。
人體的超級工廠—肝臟

肝臟是機體最大的腺體，它在機體的代謝﹑膽汁生成﹑解毒﹑凝血﹑免疫﹑熱量產生及水與電解質的調節(jié)中均起著非常重要的作用,，是機體內的一個巨大的“化工廠”,。

肝臟承擔的主要功能如下：

• 代謝與消化：腸道的血液里有糖類、脂肪,、維生素,、蛋白質等營養(yǎng)物質，通過肝臟的代謝處理后,，才能被人體吸收,。
• 免疫與排毒：血氧里的各種毒素、有害物質,、甚至不需要的物質,，通過肝臟24小時不停的工作分解破壞，最后通過腎臟和腸道排出,。
• 維生素貯存與代謝：肝臟是維生素C,、D、E,、K,、B1、B6,、B12,、煙酸、葉酸等多種維生素貯存和代謝的場所,。
• 血液調節(jié)：正常時肝內靜脈竇可以貯存一定量的血液,，在機體失血時，從肝內靜脈竇排出較多的血液,，以補償周圍循環(huán)血量的不足,。
• 然而，肝臟是唯一沒有痛感神經的器官,，所以對于肝臟的輕微癥狀沒有明顯的疼痛感覺,。但一旦感到肝區(qū)疼痛，那就是肝臟發(fā)生腫大后牽動了周圍的組織和肝的外膜所致,，這樣往往后果很嚴重,。
  

3D打印肝臟類器官
對于晚期的肝病患者,，有限的肝移植數量、部分體外肝支持以及通過注射肝細胞進行的小規(guī)模治療的效果和效率都十分有限,。為了可以構建出用于移植和再生醫(yī)學的體外功能性肝臟類器官,，需要克服幾個關鍵點：

• 具有足夠細胞量的精密結構組織
• 與體內肝功能相匹配的三維微環(huán)境
• 移植手術過程中易于處理和固定
  

毛一雷教授團隊為了解決上述問題和難點，采用生物3D打印方式構建含有HepaRG細胞的三維肝臟類器官（Hepatorganoids）,，并在體外分化出具有白蛋白分泌,、藥物代謝、糖原儲存等功能性的肝細胞,。并將此類器官移植到肝衰的小鼠體內進一步驗證其功能性,。

3D打印功能性肝臟類器官的技術路線

工藝參數決定肝細胞存活
研究團隊通過實驗發(fā)現(xiàn)，材料的配比會影響肝細胞的結構穩(wěn)定性,、存活率以及細胞增殖,。綜合考慮和實驗摸索后，團隊選用5%明膠搭配1%的海藻酸鈉作為打印墨水（上普A1同源墨水）,。

生物3D打印機同樣采用上普多噴頭細胞3D打印系統(tǒng),，此設備具有成型環(huán)境溫控技術，可以為打印體提供更均勻的溫度傳導,。最終研究團隊將噴頭溫度控制在20℃,，成型環(huán)境控制在10℃進行打印，并構建出具有500微米的支架孔隙,，以助于營養(yǎng)物質,、氧氣的供應和代謝廢物的排泄。

媲美原代人肝的肝臟類器官
將通過對分化7天后的3D打印的肝臟類器官進行一系列肝功能檢測,，研究者發(fā)現(xiàn),，其肝功能蛋白表達（ALB、CK18,、AAT,、MRP2、TRANSFERRIN等）不僅遠高于2D肝細胞和基質膠3D肝細胞,，并且與原代人肝細胞的表達非常接近,。研究者發(fā)現(xiàn)這是因為3D打印的肝臟類器官更好地誘導了肝特異性轉錄因子（FOXA2,、HNF4A等）,。更重要的是，3D打印的肝臟類器官分泌的白蛋白,、α-1抗胰蛋白酶和因子VII與原代人肝細胞的分泌相當,。

通過進一步實驗，研究者發(fā)現(xiàn)3D打印的肝臟類器官的排毒功能依然遠高于2D肝細胞和基質膠3D肝細胞,，并且與原代人肝細胞相當,。而在形態(tài)方面,，3D打印的肝臟類器官構成團簇，并且細胞積累了糖原聚集體,，說明3D打印的肝臟類器官在分化后達到了肝功能的水平,。

3D打印的肝臟類器官的肝功能表達對比

顯著延長肝衰小鼠壽命
為研究3D打印肝臟類器官在體內的肝臟功能，研究團隊將其移植到肝衰的小鼠體內,。研究表明,，移植后的小鼠壽命延長了近一倍，并且由于移植的肝臟類器官具有足量的肝細胞,，小鼠體重減輕現(xiàn)象也顯著下降,。并且移植后小鼠肝功能指標的血清水平也有顯著上升。此研究結果表明,，3D打印肝臟類器官有效的治療小鼠的肝衰,。

更加令人振奮的是，小鼠肝臟在移植14天后自發(fā)的構建出血管網絡系統(tǒng),，這也進一步論證了3D打印肝臟類器官在移植后的體內功能性以及其確保壽命延長的心血管化的形成,。

最終，為分析小鼠肝臟的藥物代謝能力,，研究者使用異哇胍,，這種藥物只有人肝細胞才能夠代謝，而小鼠肝臟不能代謝,。通過檢測代謝產物,，明確了肝臟類器官在小鼠體內具有人肝臟的代謝功能。

小鼠肝臟在移植14天后自發(fā)的構建出血管

總結
構建用于臨床治療的完整肝臟器官仍然是一個需要攻克的遠期目標,，但本研究成功邁出了重要一步：通過生物3D打印構建出具有體內肝功能的肝臟類器官,，無論在體外還是體內都具有顯著的肝功能性。小鼠肝臟在移植14天后自發(fā)的構建出血管網絡系統(tǒng),，并有效的延長的肝衰小鼠的壽命,。本文是生物3D打印技術目前在實際應用方面的最深入的文章。相信隨著技術的不斷精進,，我們距離生物打印完整功能器官又更近一步,。