清華機械系生物制造中心團隊龐媛副研究員、孫偉教授課題組合作發表“生物3D打印“
時間：2025-05-24 17:15 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
三維(3D)生物打印是用于構建肝組織模型、治療肝衰竭的一項前景廣闊的技術。然而，目前肝組織模型生物打印研究主要依賴傳統的基于單細胞的生物打印方式，在此過程中，單個功能性肝細胞分散且孤立于水凝膠中，由于細胞功能不足導致治療效果不理想。清華大學機械系生物制造中心團隊龐媛副研究員、孫偉教授課題組與北京大學鄧宏魁教授團隊合作，采用基于球體的生物打印來構建肝組織模型(3DP-HOs)，并在體外和體內評估其肝臟特異性功能。該文章名為“Bioprintingfunctional hepatocyte organoids derived from human chemically inducedpluripotent stem cells to treat liver failure ”，發表在GUT上。本研究將人化學誘導多能干細胞(hCiPSCs)作為強大且無基因組整合風險的細胞來源，用于制備高活性和功能性的肝細胞類器官(hCiPSC-HOs)。采用透氧微孔裝置增加氧氣供應，確保細胞高存活率，并促進hCiPSC-HOs 成熟。為維持hCiPSC-HOs 的長期生物功能，運用球體的生物打印技術構建肝組織模型(3DP-HOs)，這種方法還顯著降低了肝損傷、炎癥和纖維化指標，同時促進了肝臟再生和生物功能表達。
一、背景介紹
肝移植雖是終末期肝衰竭的金標準，但供體短缺促使探索替代療法。現有組織工程策略(如微囊化、細胞片)難以模擬肝微環境且力學強度不足，限制長期療效。3D生物打印通過精準排布細胞與生物材料，為構建可移植肝組織提供新思路。然而，現有研究多采用肝癌細胞系(如HepG2、HepaRG)，其肝特異性功能不足限制了生物打印肝臟組織的功能，且單細胞打印細胞數量有限，細胞互作缺失導致功能衰退。
本研究提出創新策略：結合化學重編程來源的無基因修飾人多能干細胞(hCiPSCs)與球體生物打印技術。通過PDMS基透氣微孔裝置規模化培養高活性肝類器官(hCiPSC-HOs)，并基于球體打印構建高密度肝組織模型(3DP-HOs)。相較于單細胞打印，球體打印保留類器官內細胞互作，顯著提升肝功能基因(如ALB、CYP3A4)表達，其功能接近原代肝細胞(PHHs)。體內實驗表明，3DP-HOs在小鼠肝衰竭模型中顯著提高生存率，促進肝再生并緩解纖維化，且通過宿主血管網絡實現長效氧供與代謝支持。該技術為肝再生醫學提供了兼具功能性與穩定性的新型治療策略。
圖 1. 研究的細胞分化過程，實驗途徑和核心創新點
二、結果
2.1 利用透氧微孔裝置制備高功能 hCiPSC-HOs
本研究基于透氧微孔裝置實現功能性肝類器官(hCiPSC-HOs)的規模化制備。hCiPSC-HPCs(96% CK19/AFP雙陽性)經微孔培養自組裝為球體，其直徑(約95 μm)與細胞活性(>90%，前6天)顯著優于傳統2D培養。功能分析顯示，3D球體的白蛋白分泌(峰值9.68±0.65 μg/百萬細胞/24 h)及尿素合成(214.40 ± 31.60 μg/百萬細胞/24 h)于第7天達峰，功能指標接近原代人肝細胞(PHHs)。基因表達(HNF4A、CYP3A4等)與功能實驗(ICG代謝、脂質代謝等)證實hCiPSC-HOs具備成熟肝細胞特性，并形成膽管樣極性結構。該技術為構建生物打印肝模型提供了高活性功能單元。
圖2. 利用透氧微孔裝置規模化制備高功能 hCiPSC-HOs
2.2 基于球體的肝組織模型的生物打印確保高HCIPSC-HOs生存能力和生物功能
將hCiPSC-HOs與10% GelMA混合制備生物墨水，優化顯示細胞密度為1.5×10⁷ cells/mL時可維持最佳活性。流變學分析表明，10% GelMA具有適宜剪切模量(溶膠-凝膠轉變溫度23.5℃)及剪切稀化、自修復特性，可保護細胞免受剪切力損傷。生物打印后，hCiPSC-HOs均勻分布于水凝膠網格結構(圖3A)，6天內保持球體形態并恢復活性(第0天76.12%±3.29%，第6天>90%)(圖3B-E)。相比非打印模型，3D打印結構的微通道顯著增強氧擴散(HIF-1α/BNIP3低表達)與營養運輸，減少中心細胞死亡。
單細胞生物打印(使用hCiPSC-Heps)第0天存活率僅52.56% ± 6.37%，且后續無球體形成，細胞密度持續下降。而球體法第6天完全恢復活性，細胞密度從12.64 ± 0.49×10⁷ cells/mL增至14.30 ± 1.77×10⁷ cells/mL(圖3F-G)。功能方面，3DP-HOs的ALB分泌(7.77 ± 0.90 μg/百萬細胞/24 h)與尿素合成(154.21 ±12.20 μg/百萬細胞/24 h)在第2天最多，基因表達(HNF4A、CYP3A4等)顯著優于hCiPSC-Heps，且CYP3A4活性與未打印球體相當(圖3H-J)。免疫熒光證實3DP-HOs高表達HNF4A、ALB等關鍵肝標志物(圖3K)。可見，球體生物打印技術成功構建高活性、功能成熟的3DP-HOs，為肝衰竭治療提供高潛力移植模型。
三、討論
本研究采用基于hCiPSCs的肝類器官(hCiPSC-HOs)結合球體生物打印技術構建功能性肝組織模型(3DP-HOs)。通過PDMS基透氣微孔裝置增強氧供，實現大規模高活性hCiPSC-HOs制備。與傳統方法(如直接肝細胞移植易引發免疫排斥，微囊化移植受限于氧擴散不足)相比，3DP-HOs利用GelMA水凝膠構建網格結構，其互連微通道促進氧/營養傳輸，顯著提高細胞存活率，且植入60天后仍保持完整結構(圖7A)，可安全取出。RNA測序顯示，3DP-HOs在打印前后基因表達譜高度一致(圖4A-B)，雖較原代肝細胞(PHHs)存在藥物代謝(如細胞色素P450活性)及免疫功能差距，但其成熟度顯著優于hCiPSC-Heps(圖4).........
四、結論
3DP-HOS與使用基于單核的生物打印制造的模型相比，顯示出增強的細胞活力，并表現出與HCIPSC-HOS相似的基因剖面，同時保持乳膠特異性功能。此外，3DP-HOS植入可顯著提高CCL4誘導的急性智力肝衰竭的小鼠的存活率，以及肝衰竭的Fah−/− 小鼠。 3DP-HOS顯著降低了肝損傷，炎癥和纖維化指數，同時促進肝臟再生和生物功能表達。我們的生物打印肝組織模型對肝衰竭具有顯著的治療功效，并具有在肝臟再生醫學領域進行臨床研究的巨大潛力。
參考文獻
Guangya Li , Jianyu He, Jihang Shi, Xinyi Li, LuluLiu, Xinlan Ge,Wenhan Chen, Jun Jia, Jinlin Wang,Ming Yin,Yasuyuki Sakai,WeiSun,Hongkui Deng, Yuan Pang，Bioprinting functional hepatocyte organoids derivedfrom human chemically induced pluripotent stem cells to treatliver failure,Gut, March 2025. doi: 10.1136/gutjnl-2024-333885
(責任編輯：admin)
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