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：1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。

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生物3D打印技术模拟肺动脉狭窄体研究平台

时间：2025-07-21来源：点击次数：3次

本研究开发了患者特异性 3D 生物打印模型，用于法洛四联症合并肺动脉闭锁及主肺动脉侧支动脉（MAPCAs）的体外分析和治疗规划。研究基于患者的计算机断层扫描（CT）或 3D 旋转血管造影数据，生成血管的数字 3D 模型，随后使用生物相容性树脂进行 3D 打印，或用20% 明胶甲基丙烯酸酯（GelMA）水凝胶进行生物打印，模拟新生儿或青少年患者的血管结构。通过该模型模拟了经导管介入术建立闭锁肺动脉与侧支动脉的腔外连接，结合计算流体动力学（CFD） 分析血流情况，成功展示了在闭锁血管中建立血流的新技术。该模型为复杂心血管疾病的治疗开发、手术培训及疾病建模提供了功能性平台。

思维导图：

1. 研究背景

· 疾病特性：法洛四联症合并肺动脉闭锁及主肺动脉侧支动脉（MAPCAs）是一种罕见先天性心脏病，肺动脉（PA）狭窄复杂，侧支动脉的起源、数量、大小存在显著个体差异。

· 治疗挑战：现有治疗以单源化手术（侧支动脉吻合）为主，但术后远端狭窄常见，需多次干预；需维持肺部均等低压以避免右心室高压，传统模型难以满足个体化治疗需求。

2. 研究目的

开发基于患者数据的体外肺动脉狭窄模型，作为心血管疾病的体外模拟体，用于：

· 培训术者及手术团队

· 开发新型治疗方法

· 探索潜在干预措施

3. 材料与方法

步骤	关键细节
患者数据获取	- 新生儿（3 天）：计算机断层扫描（CT） - 青少年（14 岁）：3D 旋转血管造影（XA），结合屏气和心脏起搏减少伪影
数字 3D 模型生成	- 从影像中提取血管信息，用 Autodesk Meshmixer 软件构建空心模型（1mm 壁厚，可灌注） - 生成立体光刻文件，保留血管网络及管腔结构
3D 打印（合成模型）	- 设备：Form 2 立体光刻打印机（Formlabs） - 材料：Flexible Resin（柔韧性）、Clear Resin（高分辨率、透明，便于观察血流）、Elastic Resin（高弹性，远端分辨率较低） - 后处理：3 次异丙醇清洗（各 20 分钟）→ 干燥 → UV 固化 20 分钟 - 周期：2-3 天
生物打印（GelMA 模型）	- 材料：20% GelMA 水凝胶（含 0.5% 光引发剂 Irgacure） - 制作：铸造（直接注入 3D 打印外壳）或生物打印机（CELLINK Bio X）打印 → UV 交联 10 分钟 → 组装外壳（含入口 / 出口连接器） - 结构：模拟闭锁血管（17.5mm 长，2mm 直径）和开放血管（25mm 长，2mm 直径）
介入手术模拟	- 步骤：鞘管进入开放血管 → 荧光透视下用导丝和微导管穿刺闭锁血管 → 置入 3.5mm 支架 → 造影验证血流 - 场景：先在工作台优化，再在心脏导管室模拟临床环境
计算流体动力学（CFD）分析	- 模型：基于再通血管的 CAD 模型，网格含 200k 元素 - 参数：入口脉动流速（16-25mm/s，模拟新生儿肺动脉）、出口压 5mmHg、血液流变学特性（Carreau 模型）、刚性血管壁（无滑移条件） - 分析：血流速度、壁面剪应力、再循环区域

4. 研究结果

· 模型准确性：3D 打印模型与患者血管影像高度一致，能再现血管网络结构（图 1）；造影验证显示模型可清晰显示血流（图 1G、1H）。

· 介入成功：通过模拟手术成功建立闭锁血管与侧支动脉的连接，支架植入后血流恢复（图 2E），重复 3 次均成功。

· CFD 结果：预测峰值血流速度 41mm/s，收缩期减速阶段在连接入口处出现血流再循环（图 2F）。

5. 临床意义

· 培训与规划：模型可用于模拟复杂手术（如单源化修复），帮助术者优化操作流程。

· 新技术开发：为经导管再通术等新型干预措施提供体外测试平台，减少患者和动物模型的变异性。

· 疾病建模：结合患者干细胞衍生的心肌细胞等，可构建更真实的疾病模型，用于药物和手术评估。

6. 局限性

· 技术挑战：临床影像分辨率有限（CT 难以区分肺动静脉壁）；3D 模型生成需专业技能，难以普及。

· 生物模型缺陷：生物打印模型的细胞存活、长期灌注（营养 / 氧气扩散）存在挑战；小直径血管吻合易导致损伤。

· CFD 简化：未模拟血管壁弹性、复杂血管分支等体内真实条件。

关键问题：

问题：研究中 3D 生物打印模型使用的核心材料是什么？其特性如何支持模型功能？
答案：核心材料是 20% 明胶甲基丙烯酸酯（GelMA）水凝胶。其特性包括：① 生物相容性，可支持细胞附着与功能；② 物理特性接近天然软组织（刚度匹配血管壁）；③ 可通过 UV 交联固化，便于塑形；④ 允许灌注，能模拟血管内血流，支持介入手术模拟（如支架植入和造影观察）。

问题：该 3D 打印模型与传统动物模型或 2D 模型相比，在研究复杂心血管疾病时有何优势？
答案：① 个体化：基于患者影像数据构建，能反映个体血管解剖差异，解决 “一刀切” 治疗难题；② 可控性：避免动物模型的遗传 / 环境变异，体外环境可精确调控；③ 功能性：可模拟血流灌注，结合 CFD 分析血流动力学，优于 2D 模型的静态展示；④ 实用性：可重复用于手术培训和新技术测试，减少对患者和动物的依赖。

问题：为推动该技术的临床转化，未来研究需解决哪些关键问题？
答案：① 生物模型优化：提高生物打印模型的细胞存活率、长期灌注能力，解决营养 / 氧气扩散问题；② 材料改进：开发可降解、功能性导管材料，减少吻合后狭窄风险；③ 技术简化：简化 3D 模型生成流程，降低对专业技能的依赖，缩短制备时间（目前需 2-3 天）；④ CFD 完善：纳入血管壁弹性、复杂分支等参数，提升血流模拟的真实性；⑤ 体内验证：开展动物实验验证模型预测的临床相关性，评估长期安全性和有效性。