《AM》综述：肝纤维化3D生物打印和微流控芯片模型

来源： EngineeringForLife

生物材料广泛用于模拟细胞-基质相互作用，这对于细胞生长、功能和分化至关重要。当开发富含细胞外基质的器官（如肝脏）的体外疾病模型时，这一点尤其重要。肝病涉及慢性伤口愈合反应，并形成疤痕组织，称为肝纤维化。在早期阶段，肝病可以逆转，但随着疾病的进展，就不再可能逆转，并且无法治愈。由于缺乏足够的模型来复制纤维化肝脏中存在的机械特性和生化刺激，新疗法的研究受到阻碍。生物材料可以在更好地模拟疾病微环境方面发挥重要作用。

近日，来自葡萄牙波尔图大学的Bruno Sarmento团队结合细胞、生物打印和/或微流体技术，对用于创建人类肝纤维化体外模型的最新尖端生物材料进行了修订。这些技术有助于复制不健康组织的复杂结构，并促进培养基灌注，从而分别改善细胞生长和功能。提供了3D环境中材料提示和细胞-材料相互作用的影响的全面分析。

相关论文“The material world of 3D-bioprinted and microfluidic-chip models of human liver fibrosis”于2023年11月14日在线发表于杂志《Advanced Materials》上。

肝脏是人体最大的内脏器官，肝脏的主要功能细胞是肝细胞，肝实质细胞约占肝细胞的60 - 80%。它们负责大多数肝功能，如碳水化合物、氨基酸和脂质代谢。在组织学上，肝脏是由数以百万计的肝小叶组成的，肝小叶是肝脏的结构单位（图1）。

图1 正常肝和纤维化肝的肝小叶和肝窦

肝脏具有显著的再生能力。但如果损伤是持续性的或慢性的，这种再生能力受损，就会出现肝脏疾病。随着疾病的发展，肝细胞群的复杂性增加，细胞外基质(ECM)结构急剧变化。纤维化通常被描述为一种慢性伤口愈合反应，其特征是疤痕组织的积累，而不进入修复阶段。它与过度的ECM产生和ECM去除的减少有关，导致ECM成分的积累，逐渐用疤痕组织取代正常的肝实质。纤维化肝表现为结构和功能的改变，并可能进一步发展为肝硬化或肝癌，这是肝脏疾病最严重的阶段(图2)。

图2 慢性肝病的进展

活化的KCs和LSECs表达转化生长因子-β(TGF-β)是主要的促纤维化细胞因子。TGF-β通过多种方式促进肝纤维化。造血干细胞是纤维化的主要细胞介质，造血干细胞向肌成纤维细胞的转分化可分为起始和延续两个阶段。纤维化的主要影响之一是ECM数量、组成和分布的改变。而纤维化逆转可能涉及与HSC凋亡、衰老或静止相关的机制，这给抗纤维化治疗的发展带来了希望。

有三种主要的细胞来源用于创建3D体外模型：原代细胞，永生化细胞系和干细胞衍生细胞。在创建多细胞肝脏模型时，有必要对不同细胞群的模型组成进行表征，并评估每种细胞类型的形态和功能。为了区分模型中存在的几种肝细胞类型，依赖于与每种细胞类型相关的不同受体的表达(表1)。

表1 纤维化释放的标志物和主要肝细胞类型表达的受体

基于细胞的疾病模型，如球体或类器官，依赖于细胞的自组装特性来创建3D结构，与2D培养相比，更好地概括了体内微环境。在肝病模型的背景下，控制ECM的特性对于理解疾病的发生、进展和最终回归至关重要。因此，包含用于细胞包埋的3D基质对于在体外忠实地复制疾病微环境和提高药物反应的预测能力至关重要。

在肝脏疾病体外模型的背景下，3D生物打印通过复制肝小叶的复杂结构和细胞定位提供了独特的优势。通过结合生物、机械和生物物理刺激，这些工程模型可以更好地模拟疾病状况。在深入肝纤维化模型之前，作者讨论了使用生物打印来获得正常肝脏模型的信息（图3）。

图3 应用3D生物打印的人类正常肝脏和肝纤维化模型示例

随后，作者讨论了正常肝脏的器官芯片模型，然后转移到肝脏疾病模型（图4）。此外，为了提高肝脏模型的生理学相关性，3D生物打印和肝脏芯片方法已经在一些研究中联合使用，但主要是复制正常肝脏而不是肝纤维化（图5）。表2列出了最相关的人类肝纤维化体外模型，包括生物打印和/或微流体。

图4 应用微流体的人正常肝脏和肝纤维化模型实例

图5 人类正常肝脏和肝纤维化模型结合3D生物打印和微流体的例子

表2 利用生物3D打印和微流体技术建立体外人纤维化模型综述（部分）

为了测试针对肝脏疾病的药物的疗效，正常肝脏的模型不再合适。在这种情况下，目标是建立一个肝脏疾病模型，包括主要疾病特征和分子机制。尽管肝脏疾病具有独立于病因的共同特征，但模型开发应考虑所提出治疗的主要目标。此外，还有一些技术上的挑战需要克服。对于生物打印，打印分辨率取决于打印技术，并决定了肝脏微环境复制的忠实程度。材料的选择始终是至关重要的一步：它必须经受住打印过程，保持打印形状，同时支持细胞活力、增殖和功能。材料的选择也是器官芯片模型的一个问题，同时实验过程中难以可视化培养和收集样本。最后，在考虑将疾病模型应用于制药行业时，验证和标准化是必不可少的。总之，3D体外肝纤维化模型领域是生物材料如何应用于改善疾病模型的生理相关性的完美例子，极大地有助于更准确的药物临床前试验，并有望治愈慢性肝病。

文章来源：https://doi.org/10.1002/adma.202307673