BIONOVA X 3D生物打印機(jī)在肝臟模型構(gòu)建中的應(yīng)用

Cellink BIONOVA X 是一款先進(jìn)的 DLP（數(shù)字光處理）技術(shù) 3D生物打印機(jī)，專為高分辨率、快速和生物友好的打印設(shè)計(jì)，主要用于生物醫(yī)學(xué)和組織工程領(lǐng)域。它在藥物開發(fā)、疾病建模和再生醫(yī)學(xué)等高通量研究中發(fā)揮著重要作用。

近期研究中，使用 BIONOVA X 打印的模型涵蓋了多種應(yīng)用，從肝臟組織到心肌微組織，甚至神經(jīng)系統(tǒng)疾病建模。通過這款3D生物打印機(jī)，研究者能夠在高通量平臺(tái)上快速創(chuàng)建精確的3D 結(jié)構(gòu)，極大提升了打印速度和精度，尤其是在構(gòu)建具有復(fù)雜微結(jié)構(gòu)的組織時(shí)，BIONOVA X 可以輕松實(shí)現(xiàn)多細(xì)胞類型和多材料的高效組合。為再生醫(yī)學(xué)和個(gè)性化藥物篩選提供了新的可能性。

一 肝臟模型（Liver model）構(gòu)建
1. Deterministically Patterned Isomimetic Human iPSC-derived Hepatic Model via Rapid 3D Bioprinting

通過快速3D生物打印構(gòu)建具確定性圖案的仿生人類iPSC衍生肝臟模型
 

這篇文章的主要目標(biāo)是通過快速3D生物打印技術(shù)，構(gòu)建一種由人誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（hiPSCs）衍生的仿生肝臟模型，用于個(gè)性化藥物篩選和疾病研究。

肝臟模型的構(gòu)建背景
肝臟在蛋白質(zhì)合成和代謝功能中起著重要作用，肝功能的喪失與疾病發(fā)展和藥物毒性密切相關(guān)。因此，開發(fā)體外肝臟模型對(duì)于藥物篩選和疾病研究具有重要意義。然而，目前的體外肝臟模型常常缺乏生理相關(guān)的微環(huán)境，導(dǎo)致肝細(xì)胞在培養(yǎng)中迅速失去其功能。

iPSCs在肝臟模型中的應(yīng)用
人誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（hiPSCs）被認(rèn)為是開發(fā)個(gè)性化肝臟模型的理想細(xì)胞來源。與原代肝細(xì)胞相比，hiPSCs更易獲取并且具備分化成肝細(xì)胞的潛力。研究中利用了hiPSCs通過特定分化流程衍生成肝前體細(xì)胞（HPCs），這些細(xì)胞能進(jìn)一步分化為成熟的肝細(xì)胞。

3D生物打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)
本研究采用了數(shù)字光處理（DLP）技術(shù)來快速打印三維肝臟模型。DLP技術(shù)能夠通過光固化水凝膠，以高分辨率和快速的打印速度構(gòu)建復(fù)雜的三維微結(jié)構(gòu)。該技術(shù)不僅提高了打印速度，還能夠精確控制細(xì)胞和材料的空間排列，模擬肝臟的六邊形結(jié)構(gòu)單元。

肝臟模型的細(xì)胞組成與微結(jié)構(gòu)
該模型采用了三重培養(yǎng)體系，包括hiPSC衍生的肝前體細(xì)胞（HPCs）、人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞（HUVECs）和脂肪干細(xì)胞（ADSCs）。這些細(xì)胞被嵌入到具有生理相關(guān)性六邊形結(jié)構(gòu)的水凝膠中，這種結(jié)構(gòu)模仿了肝臟小葉的組織排列。通過多步的3D打印過程，不同細(xì)胞類型在支架中被精確定位。

3D培養(yǎng)條件下的肝細(xì)胞功能增強(qiáng)
與傳統(tǒng)的二維培養(yǎng)相比，三維培養(yǎng)體系中的hiPSC-HPCs展示了更好的形態(tài)學(xué)組織化、肝特異性基因表達(dá)水平提升、代謝產(chǎn)物分泌增加以及細(xì)胞色素P450（CYP）酶的誘導(dǎo)增強(qiáng)。這表明，在3D仿生環(huán)境中，肝前體細(xì)胞得到了更好的功能維護(hù)和成熟。

應(yīng)用前景
這種基于3D生物打印的肝臟模型為早期藥物篩選和個(gè)性化疾病模型提供了一個(gè)平臺(tái)。通過結(jié)合不同細(xì)胞類型和仿生結(jié)構(gòu)，該模型能夠模擬肝臟的多細(xì)胞相互作用和微環(huán)境，尤其是在藥物代謝和毒性預(yù)測(cè)方面具有重要的應(yīng)用潛力。

總結(jié)
這篇文章通過DLP 3D生物打印技術(shù)成功構(gòu)建了一個(gè)生理相關(guān)的人iPSC衍生肝臟模型，不僅有效增強(qiáng)了肝細(xì)胞的功能，還展示了該模型在藥物篩選和疾病建模中的應(yīng)用前景。這種模型具有巨大的臨床轉(zhuǎn)化潛力，尤其是在個(gè)性化醫(yī)學(xué)和早期藥物篩選方面。

2. Rapid 3D bioprinting of decellularized extracellular matrix with regionally varied mechanical properties and biomimetic microarchitecture

具有區(qū)域性可變機(jī)械性能和仿生微結(jié)構(gòu)的去細(xì)胞外基質(zhì)的快速3D生物打印
 

這篇文章的主要目標(biāo)是通過快速3D生物打印技術(shù)，利用去細(xì)胞外基質(zhì)（dECM）構(gòu)建具有區(qū)域性可變機(jī)械性能和仿生微結(jié)構(gòu)的肝臟模型。這種模型主要用于研究肝細(xì)胞癌（HCC）在病理環(huán)境下的進(jìn)展與侵襲行為。

去細(xì)胞外基質(zhì)的制備
文章首先使用去細(xì)胞技術(shù)從豬肝臟中提取出去細(xì)胞外基質(zhì)（dECM），這個(gè)過程包括去除細(xì)胞、保存膠原纖維和基質(zhì)的關(guān)鍵成分。隨后，dECM與可光交聯(lián)的明膠甲基丙烯酸酯（GelMA）混合，生成可用于光固化3D生物打印的水凝膠溶液。

3D生物打印技術(shù)的應(yīng)用
本文采用DLP（數(shù)字光處理）技術(shù)，利用數(shù)字微鏡設(shè)備（DMD）控制UV光源在預(yù)設(shè)的圖案上進(jìn)行光固化反應(yīng)，逐層構(gòu)建肝臟dECM支架。打印出的支架具有與肝小葉尺寸相當(dāng)?shù)牧�邊形結(jié)構(gòu)，用于模擬肝臟微環(huán)境。

肝癌模型的構(gòu)建與細(xì)胞培養(yǎng)
使用打印出的dECM支架對(duì)HepG2肝癌細(xì)胞進(jìn)行培養(yǎng)，實(shí)驗(yàn)中展示了HepG2細(xì)胞在dECM支架中表現(xiàn)出較好的存活率和功能性。相比于單純的膠原I或GelMA基質(zhì)，dECM基質(zhì)支架更好地支持了肝癌細(xì)胞的增殖和肝特異性基因的表達(dá)。

機(jī)械性能調(diào)控
通過調(diào)節(jié)打印時(shí)的UV光曝光時(shí)間，研究人員能夠在同一個(gè)支架中生成具有不同機(jī)械強(qiáng)度的區(qū)域，從而模擬健康肝臟與病變肝臟（如肝硬化）的硬度差異。實(shí)驗(yàn)顯示，HepG2細(xì)胞在硬化的dECM支架中表現(xiàn)出較低的增殖和更高的侵襲潛能，表明肝癌細(xì)胞在硬化環(huán)境中的惡性程度更高。

HCC細(xì)胞侵襲的可視化
文章還設(shè)計(jì)了一種具有不同硬度區(qū)域的3D肝癌組織平臺(tái)，可以可視化肝癌細(xì)胞從肝小葉區(qū)域侵襲到周圍的纖維隔。通過熒光標(biāo)記不同硬度的區(qū)域，研究人員可以跟蹤HepG2細(xì)胞在這些區(qū)域中的侵襲行為。

研究意義
這項(xiàng)研究展示了如何通過快速3D生物打印技術(shù)，結(jié)合dECM材料構(gòu)建生理相關(guān)的肝臟微環(huán)境，用于研究肝細(xì)胞癌的進(jìn)展與侵襲。這種平臺(tái)為理解肝癌細(xì)胞在病理環(huán)境中的行為機(jī)制提供了一個(gè)創(chuàng)新的工具，也為未來的藥物篩選和癌癥治療研究開辟了新途徑。

總結(jié)
這篇文章通過利用去細(xì)胞外基質(zhì)和DLP 3D生物打印技術(shù)，成功構(gòu)建了一個(gè)可用于研究肝癌侵襲和進(jìn)展的3D生物模型。通過調(diào)控支架的機(jī)械性能和設(shè)計(jì)復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)，這一平臺(tái)為更好地理解肝癌在硬化肝臟中的行為提供了重要的工具，同時(shí)展示了在組織工程和疾病建模中的廣泛應(yīng)用前景。
 

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