雙相載細(xì)胞介質(zhì)賦能 3D 打印：構(gòu)建體外復(fù)雜血管化肝臟組織新突破

來源：EFLS生物3D打印與生物制造

肝臟作為人體最大的消化腺,，承擔(dān)著蛋白質(zhì)合成、代謝等重要生理功能,。然而,，藥物或疾病引發(fā)的肝損傷會影響其再生能力。構(gòu)建能精準(zhǔn)模擬健康人體肝臟生理功能的體外三維模型,，對提升實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性,、推動藥物研發(fā)和臨床應(yīng)用意義重大。肝臟血管系統(tǒng)復(fù)雜,，體外構(gòu)建復(fù)雜血管網(wǎng)絡(luò),，維持充足養(yǎng)分供應(yīng),，對細(xì)胞生長、模擬肝臟異質(zhì)結(jié)構(gòu)和細(xì)胞微環(huán)境至關(guān)重要,。  3D生物打印技術(shù)雖在構(gòu)建復(fù)雜肝臟組織方面有進(jìn)展,，但現(xiàn)有方法仍存在諸多局限。例如,，同軸擠出打印受噴嘴結(jié)構(gòu)限制,，難以形成穩(wěn)定的分叉微血管；傳統(tǒng)犧牲打印的層層堆疊法,，因低模量水凝膠黏度低,、難以自支撐，不易構(gòu)建復(fù)雜三維血管結(jié)構(gòu),，且細(xì)胞載藥生物墨水的流變學(xué)特性變化會影響打印可行性,。同時(shí)，現(xiàn)有方法在材料選擇上受限,，細(xì)胞載微球制備復(fù)雜,、通量低，不利于大規(guī)模組織構(gòu)建,。  為解決這些問題,，浙江大學(xué)馬梁教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種可交聯(lián)的雙相嵌入介質(zhì)，通過混合低黏度生物材料和明膠微凝膠,，克服了傳統(tǒng)方法的局限,。相關(guān)工作以“Construction of complex three - dimensional vascularized liver tissue model in vitro based on a biphasic cell - laden embedding medium”為題發(fā)表在《International Journal of Extreme Manufacturing》上。

1.構(gòu)建復(fù)雜三維血管化肝組織體外模型的方法

通過開發(fā)一種可交聯(lián)的雙相細(xì)胞負(fù)載嵌入介質(zhì),，研究了在體外構(gòu)建復(fù)雜三維血管化肝組織模型的可行性,，結(jié)果表明該方法能夠?qū)崿F(xiàn)精確的三維血管結(jié)構(gòu)構(gòu)建，并促進(jìn)肝細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞的緊密粘附,。

圖1.構(gòu)建復(fù)雜三維血管化肝組織體外模型的方法,。

2.雙相細(xì)胞負(fù)載介質(zhì)的流變學(xué)特性及生物相容性
通過流變學(xué)測試和細(xì)胞實(shí)驗(yàn)，研究了雙相細(xì)胞負(fù)載介質(zhì)的流變學(xué)特性及其對細(xì)胞活性的影響,，結(jié)果表明該介質(zhì)具有良好的流變學(xué)性能和生物相容性,，能夠支持細(xì)胞的增殖和存活。

圖2.微凝膠調(diào)控的可交聯(lián)載細(xì)胞雙相（MCCB）支撐浴的流變特性和生物相容性,。

3.犧牲打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)
通過嵌入式打印技術(shù),，研究了在雙相介質(zhì)中構(gòu)建復(fù)雜三維血管結(jié)構(gòu)的能力，結(jié)果表明通過調(diào)整打印速度可以精確控制血管直徑,，并成功構(gòu)建了多種復(fù)雜的血管網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),。

圖3.犧牲打印細(xì)絲直徑控制和中空管腔構(gòu)建。

4.血管化肝組織構(gòu)建
通過將內(nèi)皮細(xì)胞負(fù)載的犧牲墨水嵌入雙相介質(zhì)，研究了在體外構(gòu)建血管化肝組織的過程,，結(jié)果表明內(nèi)皮細(xì)胞能夠在打印結(jié)構(gòu)中形成連續(xù)的血管網(wǎng)絡(luò),，并與肝細(xì)胞緊密粘附。

圖4.肝小葉血管結(jié)構(gòu)模擬和體外微血管形成

5.血管化肝組織的功能特性
通過對血管化和非血管化肝組織的功能進(jìn)行對比分析,，研究了血管化對肝組織功能的影響,，結(jié)果表明血管化肝組織在蛋白質(zhì)合成、代謝功能和肝損傷標(biāo)志物表達(dá)方面均優(yōu)于非血管化模型,。

圖5.模擬肝小葉的分叉血管結(jié)構(gòu)

圖6.非血管化和血管化肝組織的肝功能評估

6.不同血管密度對肝組織功能的轉(zhuǎn)錄組測序分析
通過對不同血管密度的肝組織進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測序,，研究了血管密度對肝組織功能的影響，結(jié)果表明高血管密度的肝組織在代謝和血管生成相關(guān)基因表達(dá)方面顯著上調(diào),。

圖7.不同血管密度對肝組織功能的轉(zhuǎn)錄組測序分析,。

研究結(jié)論
本研究利用與明膠微凝膠混合的水凝膠制備了可負(fù)載細(xì)胞的支撐浴。該方法適用多種材料,，明膠微凝膠可調(diào)節(jié)支撐浴的流變特性和組織孔隙率,，進(jìn)而創(chuàng)建可調(diào)節(jié)的肝臟微環(huán)境。通過嵌入式打印技術(shù),，連續(xù)打印犧牲生物墨水形成三維結(jié)構(gòu),，調(diào)整打印速度能控制血管直徑，構(gòu)建出具有可灌注血管網(wǎng)絡(luò)的肝臟組織模型,。同時(shí),，原位內(nèi)皮化方法構(gòu)建了復(fù)雜血管結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了肝細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞的緊密相互作用,。體外肝臟功能測試表明,，相比簡單混合細(xì)胞形成的三維組織模型，用該方法構(gòu)建的血管化組織在蛋白質(zhì)和基因表達(dá)水平上更高,。最后評估了不同血管密度對肝臟組織功能的影響,，轉(zhuǎn)錄組測序顯示高血管密度的肝臟組織在脂質(zhì)代謝和血管生成相關(guān)途徑的基因表達(dá)上調(diào)。盡管該方法存在路徑規(guī)劃復(fù)雜和墨水沉積精度有限等挑戰(zhàn),，但在構(gòu)建高細(xì)胞密度組織方面潛力巨大,，為后續(xù)肝臟組織研究提供了有前景的方法,。

挑戰(zhàn)與展望
本研究在構(gòu)建體外血管化肝臟組織模型方面取得重要進(jìn)展,，但仍面臨挑戰(zhàn)。構(gòu)建三維血管結(jié)構(gòu)時(shí),，路徑規(guī)劃復(fù)雜,，當(dāng)前技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)墨水沉積的亞百微米精度，限制了模型的精細(xì)化程度,。此外,，在大規(guī)模應(yīng)用方面，實(shí)驗(yàn)操作的復(fù)雜性和成本也是需要克服的問題,。

展望未來,，研究可聚焦于提高細(xì)胞密度,，以構(gòu)建功能更完善的肝臟組織。優(yōu)化打印參數(shù)和設(shè)備,，突破墨水沉積精度的限制,，提升血管結(jié)構(gòu)的構(gòu)建質(zhì)量。同時(shí),，拓展材料選擇范圍,，深入探究不同材料組合對肝臟組織微環(huán)境的影響，增強(qiáng)模型的生理相關(guān)性,。進(jìn)一步結(jié)合其他前沿技術(shù),，如微流控技術(shù)、人工智能輔助設(shè)計(jì)等,，有望實(shí)現(xiàn)更高效,、精準(zhǔn)的肝臟組織工程構(gòu)建，為肝臟疾病研究,、藥物研發(fā)等提供更可靠的體外模型,。

文章來源：
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2631-7990/ada836