《AM》綜述：肝纖維化3D生物打印和微流控芯片模型

來源： EngineeringForLife

生物材料廣泛用于模擬細胞-基質相互作用，這對于細胞生長、功能和分化至關重要。當開發(fā)富含細胞外基質的器官（如肝臟）的體外疾病模型時，這一點尤其重要。肝病涉及慢性傷口愈合反應，并形成疤痕組織，稱為肝纖維化。在早期階段，肝病可以逆轉，但隨著疾病的進展，就不再可能逆轉，并且無法治愈。由于缺乏足夠的模型來復制纖維化肝臟中存在的機械特性和生化刺激，新療法的研究受到阻礙。生物材料可以在更好地模擬疾病微環(huán)境方面發(fā)揮重要作用。

近日，來自葡萄牙波爾圖大學的Bruno Sarmento團隊結合細胞、生物打印和/或微流體技術，對用于創(chuàng)建人類肝纖維化體外模型的最新尖端生物材料進行了修訂。這些技術有助于復制不健康組織的復雜結構，并促進培養(yǎng)基灌注，從而分別改善細胞生長和功能。提供了3D環(huán)境中材料提示和細胞-材料相互作用的影響的全面分析。

相關論文“The material world of 3D-bioprinted and microfluidic-chip models of human liver fibrosis”于2023年11月14日在線發(fā)表于雜志《Advanced Materials》上。

肝臟是人體最大的內臟器官，肝臟的主要功能細胞是肝細胞，肝實質細胞約占肝細胞的60 - 80%。它們負責大多數肝功能，如碳水化合物、氨基酸和脂質代謝。在組織學上，肝臟是由數以百萬計的肝小葉組成的，肝小葉是肝臟的結構單位（圖1）。

圖1 正常肝和纖維化肝的肝小葉和肝竇

肝臟具有顯著的再生能力。但如果損傷是持續(xù)性的或慢性的，這種再生能力受損，就會出現(xiàn)肝臟疾病。隨著疾病的發(fā)展，肝細胞群的復雜性增加，細胞外基質(ECM)結構急劇變化。纖維化通常被描述為一種慢性傷口愈合反應，其特征是疤痕組織的積累，而不進入修復階段。它與過度的ECM產生和ECM去除的減少有關，導致ECM成分的積累，逐漸用疤痕組織取代正常的肝實質。纖維化肝表現(xiàn)為結構和功能的改變，并可能進一步發(fā)展為肝硬化或肝癌，這是肝臟疾病最嚴重的階段(圖2)。

圖2 慢性肝病的進展

活化的KCs和LSECs表達轉化生長因子-β(TGF-β)是主要的促纖維化細胞因子。TGF-β通過多種方式促進肝纖維化。造血干細胞是纖維化的主要細胞介質，造血干細胞向肌成纖維細胞的轉分化可分為起始和延續(xù)兩個階段。纖維化的主要影響之一是ECM數量、組成和分布的改變。而纖維化逆轉可能涉及與HSC凋亡、衰老或靜止相關的機制，這給抗纖維化治療的發(fā)展帶來了希望。

有三種主要的細胞來源用于創(chuàng)建3D體外模型：原代細胞，永生化細胞系和干細胞衍生細胞。在創(chuàng)建多細胞肝臟模型時，有必要對不同細胞群的模型組成進行表征，并評估每種細胞類型的形態(tài)和功能。為了區(qū)分模型中存在的幾種肝細胞類型，依賴于與每種細胞類型相關的不同受體的表達(表1)。

表1 纖維化釋放的標志物和主要肝細胞類型表達的受體

基于細胞的疾病模型，如球體或類器官，依賴于細胞的自組裝特性來創(chuàng)建3D結構，與2D培養(yǎng)相比，更好地概括了體內微環(huán)境。在肝病模型的背景下，控制ECM的特性對于理解疾病的發(fā)生、進展和最終回歸至關重要。因此，包含用于細胞包埋的3D基質對于在體外忠實地復制疾病微環(huán)境和提高藥物反應的預測能力至關重要。

在肝臟疾病體外模型的背景下，3D生物打印通過復制肝小葉的復雜結構和細胞定位提供了獨特的優(yōu)勢。通過結合生物、機械和生物物理刺激，這些工程模型可以更好地模擬疾病狀況。在深入肝纖維化模型之前，作者討論了使用生物打印來獲得正常肝臟模型的信息（圖3）。

圖3 應用3D生物打印的人類正常肝臟和肝纖維化模型示例

隨后，作者討論了正常肝臟的器官芯片模型，然后轉移到肝臟疾病模型（圖4）。此外，為了提高肝臟模型的生理學相關性，3D生物打印和肝臟芯片方法已經在一些研究中聯(lián)合使用，但主要是復制正常肝臟而不是肝纖維化（圖5）。表2列出了最相關的人類肝纖維化體外模型，包括生物打印和/或微流體。

圖4 應用微流體的人正常肝臟和肝纖維化模型實例

圖5 人類正常肝臟和肝纖維化模型結合3D生物打印和微流體的例子

表2 利用生物3D打印和微流體技術建立體外人纖維化模型綜述（部分）

為了測試針對肝臟疾病的藥物的療效，正常肝臟的模型不再合適。在這種情況下，目標是建立一個肝臟疾病模型，包括主要疾病特征和分子機制。盡管肝臟疾病具有獨立于病因的共同特征，但模型開發(fā)應考慮所提出治療的主要目標。此外，還有一些技術上的挑戰(zhàn)需要克服。對于生物打印，打印分辨率取決于打印技術，并決定了肝臟微環(huán)境復制的忠實程度。材料的選擇始終是至關重要的一步：它必須經受住打印過程，保持打印形狀，同時支持細胞活力、增殖和功能。材料的選擇也是器官芯片模型的一個問題，同時實驗過程中難以可視化培養(yǎng)和收集樣本。最后，在考慮將疾病模型應用于制藥行業(yè)時，驗證和標準化是必不可少的�？傊�，3D體外肝纖維化模型領域是生物材料如何應用于改善疾病模型的生理相關性的完美例子，極大地有助于更準確的藥物臨床前試驗，并有望治愈慢性肝病。

文章來源：https://doi.org/10.1002/adma.202307673