文獻解讀：源于三維印跡細(xì)胞片層的仿生肝小葉助力肝再生研究

近日，南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院鼓樓醫(yī)院趙遠(yuǎn)錦教授研究團隊利用新型的三維壓印細(xì)胞片組裝策略成功構(gòu)建出仿生肝小葉。相關(guān)研究成果已經(jīng)發(fā)表在國際權(quán)威期刊《Science Bulletin》（IF=18.9、一區(qū)top期刊）上。

肝臟是人體內(nèi)最重要的器官之一，負(fù)責(zé)執(zhí)行多種關(guān)鍵生理功能，如解毒、代謝和合成必需蛋白質(zhì)。肝小葉是肝臟的基本結(jié)構(gòu)單位，每個肝小葉由各種細(xì)胞類型（如肝細(xì)胞、庫普弗細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞等）和基質(zhì)成分共同構(gòu)成。這些細(xì)胞在肝小葉中的分布和排列是高度有序的，以確保肝臟的高效功能。仿生學(xué)（Biomimetics）是指模仿自然界的結(jié)構(gòu)、功能和機制來設(shè)計和制造人造系統(tǒng)或材料。在肝臟組織工程中，研究人員致力于利用仿生學(xué)的方法來構(gòu)建與天然肝小葉相似的組織模型。這種仿生方法不僅考慮了肝臟細(xì)胞的種類和數(shù)量，還試圖重建它們在三維空間中的精確排列和相互作用，從而模擬肝臟的自然生理功能。通過這種方式，科學(xué)家們希望創(chuàng)建出功能性仿生肝小葉，為藥物篩選、疾病模型構(gòu)建和肝臟再生治療提供新的平臺。

盡管肝臟組織工程已有多年的研究進展，但目前仍存在一些顯著的挑戰(zhàn)和局限性。傳統(tǒng)的二維細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)雖然在理解肝細(xì)胞行為方面提供了寶貴的見解，但它們無法準(zhǔn)確模擬肝臟復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)和多種細(xì)胞類型之間的動態(tài)相互作用。這種簡化的系統(tǒng)導(dǎo)致實驗結(jié)果與體內(nèi)實際情況之間存在較大差距。此外，肝臟的血管網(wǎng)絡(luò)和微環(huán)境在肝功能中起著至關(guān)重要的作用，而這些特征在簡單的培養(yǎng)系統(tǒng)中難以有效重建。三維球形培養(yǎng)系統(tǒng)（如肝細(xì)胞球體）以及一些生物反應(yīng)器雖然在一定程度上提高了培養(yǎng)條件的仿生性，但它們?nèi)匀蝗狈�對�?xì)胞層級和空間組織的精確控制。另外，基于動物模型的研究雖然為理解肝臟疾病和藥物作用提供了重要參考，但跨物種之間的生理差異限制了這些模型的準(zhǔn)確性和可推廣性。因此，如何在體外精確重建肝小葉的三維微結(jié)構(gòu)和多細(xì)胞動態(tài)環(huán)境成為肝臟組織工程中的一個關(guān)鍵科學(xué)問題。

三維印刷技術(shù)，尤其是生物印刷（bioprinting），近年來在組織工程領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的潛力。這種技術(shù)能夠?qū)⒓?xì)胞、支架材料和生物因子精確地沉積在特定的三維空間中，從而構(gòu)建出復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)。對于肝臟組織工程，三維印刷技術(shù)的引入為重建肝小葉提供了前所未有的精確性和靈活性。研究人員可以使用三維生物打印機，將不同種類的肝細(xì)胞按照特定的圖案排列，形成多層細(xì)胞結(jié)構(gòu)，模擬肝小葉中的細(xì)胞排列和組織特征。此外，三維印刷技術(shù)還可以結(jié)合先進的生物材料，如水凝膠或智能支架，這些材料能夠提供類似于肝臟的微環(huán)境支持細(xì)胞生長和功能的發(fā)揮。與傳統(tǒng)的二維或球形培養(yǎng)系統(tǒng)相比，三維印刷的仿生肝小葉在細(xì)胞功能、代謝活動和組織再生能力方面都有顯著提升。這不僅為藥物篩選提供了更可靠的平臺，也為理解肝臟疾病的發(fā)生和發(fā)展機制提供了更加接近生理條件的模型。同時，在再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，三維印刷的仿生肝小葉為未來的肝移植和肝臟再生治療提供了新的可能性，使得從患者自體細(xì)胞中生成個性化的肝組織成為潛在的治療途徑。

本研究采用三維生物印刷技術(shù)和細(xì)胞片工程構(gòu)建仿生肝小葉模型。研究人員首先培養(yǎng)出多種肝臟相關(guān)細(xì)胞（如肝細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和星狀細(xì)胞），并通過生物印刷設(shè)備將這些細(xì)胞片精確排列在支架材料上，形成三維層級結(jié)構(gòu)，模擬肝小葉的微觀結(jié)構(gòu)。使用生物相容性材料（水凝膠）支持細(xì)胞的粘附、生長和分化，同時引入微通道網(wǎng)絡(luò)模擬肝臟的血管系統(tǒng)，以促進細(xì)胞間的物質(zhì)交換并維持長期功能。研究結(jié)果表明，這種仿生肝小葉在體外環(huán)境中保持了良好的細(xì)胞活力和生理功能，具有代謝、解毒和蛋白質(zhì)合成等特性。此外，相較于傳統(tǒng)的二維培養(yǎng)系統(tǒng)，該模型展示了更高的肝酶活性和藥物代謝能力，證明其在藥物篩選和肝臟疾病研究中的應(yīng)用潛力。

活體成像和免疫組化

為了觀察仿生肝小葉構(gòu)造與大鼠原肝組織之間的相互作用，移植7天后，使用DiR染色和廣州博鷺騰生物科技有限公司AniView多模式動物活體成像系統(tǒng)定位仿生肝小葉構(gòu)造。結(jié)果顯示，移植的細(xì)胞集中在肝臟區(qū)域，并具有明顯的熒光強度（如上圖a所示），表明肝小葉在肝臟內(nèi)保持了其功能性。此外，對BLLC組的肝臟進行了免疫組化染色，通過人白蛋白（ALB）、α-平滑肌肌動蛋白（a-SMA）和CD31的染色來標(biāo)記肝小葉，仿生肝小葉構(gòu)造呈棕色，而肝臟切片由于抗體的種屬特異性未被染色，形成了明顯的分界線（如上圖b所示）。結(jié)果表明，移植的仿生肝小葉構(gòu)造維持了肝臟功能。CD31的陽性染色顯示出保存良好的血管通道，確保了有效的物質(zhì)交換。肝臟中的炎癥因子水平對于肝臟再生至關(guān)重要。在急性肝衰竭（ALF）中，肝臟會產(chǎn)生嚴(yán)重的炎癥風(fēng)暴，加速肝損傷。而在移植后，與其他兩組相比，BLLC組的促炎因子顯著減少，抗炎因子表達(dá)增加。這表明仿生肝小葉構(gòu)造的移植能夠有效控制炎癥反應(yīng)并促進肝臟再生。這些發(fā)現(xiàn)突顯了仿生肝小葉構(gòu)造在肝臟再生過程中的移植潛力。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.scib.2024.02.030