生物3D打印干细胞肝类器官治疗肝衰竭

时间：2025-08-22来源：点击次数：84次

2025 年6 月，清华大学庞媛、北京大学邓宏魁团队在《Gut》（影响因子 25.8）发表研究，利用人化学诱导多能干细胞（hCiPSCs）衍生肝细胞类器官（hCiPSC-HOs），通过 3D 生物打印构建肝脏组织模型（3DP-HOs），并经转录组分析及 CCl₄诱导的急性慢性肝衰竭（ACLF）、Fah⁻/⁻肝衰竭双动物模型验证。该研究解决了传统技术的细胞来源、功能维持等问题，3DP-HOs 存活率超 90%，功能接近原代肝细胞，显著提升模型小鼠存活率（ACLF 模型 85.7%、Fah⁻/⁻模型 80%），为肝衰竭治疗及再生医学提供新范式。

思维导图

一、研究背景

肝衰竭威胁生命，肝移植是终末期治疗金标准，但供体严重短缺。传统组织工程技术（如微囊化、细胞片技术）难以模拟肝脏微环境且机械强度不足；单细胞 3D 生物打印因细胞间相互作用不足，难以长期维持肝细胞功能；同时，肝癌细胞系等肝细胞来源存在功能缺陷，这些问题推动了新研究的开展。

二、研究概况

发表信息：2025 年 6 月 6 日发表于《Gut》（影响因子 25.8），清华大学庞媛、北京大学邓宏魁为共同通讯作者。

研究主题：利用人化学诱导多能干细胞（hCiPSCs）衍生的肝细胞类器官（hCiPSC-HOs）进行 3D 生物打印构建肝脏组织模型（3DP-HOs），评估其对肝衰竭的治疗效果。

三、研究亮点

hCiPSCs 作为细胞来源：产生高活性、功能性的 hCiPSC-HOs，解决临床肝脏细胞来源不足问题。

氧气渗透微孔装置培养：提高细胞存活率，增强功能成熟度，使 hCiPSC-HOs 更接近真实肝脏细胞功能。

球体生物打印技术：相比传统单细胞打印，保留丰富细胞间相互作用，贴近天然肝脏结构和功能，利于肝细胞长期稳定和功能表达。

四、研究思路

l细胞来源与培养

以 hCiPSCs 为起点，分化、扩增生成肝前体细胞（hCiPSC-HPCs），进一步成熟为类肝细胞（hCiPSC-Heps）。

利用透氧微孔装置培养 hCiPSC-HPCs，使其自组装形成球体并成熟为 hCiPSC-HOs（高活性、功能性）。

l生物 3D 打印

将 hCiPSC-HOs 与 10% 甲基丙烯酸酐化明胶（GelMA）混合形成生物墨水。

采用球体生物打印方法构建 3DP-HOs，优化细胞密度为 1.5×10⁷ cells/mL。

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l转录组分析

通过 RNA-seq 比较 hCiPSC-HPCs、hCiPSC-Heps、hCiPSC-HOs、3DP-HOs 和原代肝细胞（PHHs）的基因表达特征，从分子水平评估 3DP-HOs 的肝功能。

l动物双模型验证

在 CCl₄诱导的急性慢性肝衰竭（ACLF）小鼠模型和 Fah⁻/⁻肝衰竭小鼠模型中植入 3DP-HOs，评估治疗效果。

五、研究结果

研究内容	关键结果
大规模生成 hCiPSC-HOs	存活率 > 90%，肝功能标志物表达及代谢活性（白蛋白分泌等）与 PHHs 相当
3D 打印构建肝组织模型	打印后细胞存活率 > 90%，2 天内功能达峰值，功能接近 PHHs，细胞密度达 14.3×10⁷ cells/mL
转录组分析	hCiPSC-HOs 与 3DP-HOs 基因表达谱相似，均更接近 PHHs，肝功能相关基因上调
ACLF 模型小鼠验证	存活率从 0% 提升至 85.7%，通过分泌肝蛋白、减轻炎症等发挥作用
Fah⁻/⁻模型小鼠验证	存活率从 0% 提升至 80%，治疗效果持续 60 天，促进肝再生、抑制炎症
3DP-HOs 长期稳定性	60 天结构完整，自发血管化，维持 ALB/CYP3A4 分泌，具备胆管分化潜能

六、文章小结

本研究整合干细胞技术、类器官培养、生物 3D 打印技术，构建出高细胞密度、高功能性的可移植肝脏组织模型（3DP-HOs）。经转录组测序和动物模型验证，证实其在肝衰竭治疗中疗效显著，为肝组织工程和再生医学提供了全新范式，具有重要临床研究潜力。

关键问题：

问题：该研究采用的 3D 生物打印技术与传统单细胞生物打印技术相比，核心优势是什么？
答案：传统单细胞生物打印因细胞间相互作用不足，难以长期维持肝细胞功能；而本研究采用的基于球体的生物打印技术，能保留细胞间丰富的相互作用，更贴近天然肝脏组织的结构和功能，且可构建高密度（14.3×10⁷ cells/mL）肝组织，显著提升细胞存活率（>90%）和功能恢复速度（2 天内达峰值），有利于肝细胞长期稳定性和功能表达。

问题：研究中使用的 hCiPSC-HOs 作为生物打印 “肝单位”，其功能性如何体现？
答案：hCiPSC-HOs 通过透氧微孔装置培养，存活率超 90%，形态稳定；其肝功能标志物（如 HNF4A、ALB 等）表达正常，代谢活性（白蛋白分泌、尿素循环、药物代谢等）与原代肝细胞（PHHs）相当，具备作为优质生物打印 “肝单位” 的功能基础。

问题：在动物模型中，3DP-HOs 治疗肝衰竭的关键机制是什么？
答案：在 ACLF 模型中，3DP-HOs 通过持续分泌功能性肝蛋白（如 hALB）替代受损肝功能、下调 IL-1β/TNF-α 等炎症因子减轻凋亡、抑制纤维化标志物表达逆转肝损伤；在 Fah⁻/⁻模型中，通过移植肝细胞增殖并维持 ALB 分泌、下调 Trp53/p16 通路促进肝再生、抑制 IL-6/TNF-α 等炎症风暴发挥作用，且长期植入中可自发血管化保障营养供给，维持功能稳定。