Advanced Science：噴墨打印3D肺泡模型

來源： EngineeringForLife

呼吸道疾病嚴重危害著人們的健康，迫切需要相關的人類呼吸系統的生理模型來研究疾病的發(fā)病機制、藥物功效和藥學。來自韓國浦項科技大學Sungjune Jung團隊和Hwa-Rim Lee團隊通過載細胞噴墨打印技術，打印出具有四種人類肺泡系的肺泡模型，即I型和II型肺泡細胞（NCI-H1703和NCI-H441）、肺成纖維細胞（MRC5）和肺微血管內皮細胞（HULEC- 5a)。該模型一定程度上可以替代傳統病理學和藥物學測試模型。相關論文“All-Inkjet-Printed 3D Alveolar Barrier Model with Physiologically Relevant Microarchitecture”發(fā)表在Advanced Science期刊上。

首先，研究團隊通過逐層載細胞噴墨打印技術，打印出超薄三層肺泡模型，并對噴墨打印的工藝進行了優(yōu)化，確定了每種細胞墨水的濃度，以制造具有高分辨率和準確性的3D肺泡模型。

圖1 制造肺泡模型

圖2 噴墨打印參數優(yōu)化

接著，研究團隊對噴墨打印的細胞活性進行評估，在實驗過程中，沒有觀察到任何顯著的細胞死亡，噴墨生物打印不會對肺泡細胞產生不利影響。

圖3 噴墨打印后細胞活性檢測

隨后，研究團隊評估了肺泡模型的結構特征和阻隔特性，通過組織學圖像可以清楚的看到三層結構，在膠原基底膜的兩側均勻的分布著上皮和內皮細胞。通過免疫組化分析研究肺泡屏障的結構組成和功能。

圖4 肺泡模型的結構和屏障特性

圖5 肺泡模型的結構和功能表征

緊接著，研究團隊進行了qPCR測試以量化代表性基因的水平，并用于研究肺泡模型中的細胞功能。結果證實了3D結構模型相對于2D模型具有更緊密的屏障特性。

圖6 傳統2D模型和 3D 噴墨打印肺泡模型之間代表性肺泡基因表達譜的比較

最后，研究團隊使用H1N1甲型流感病毒（PR8 株）作用于肺泡屏障模型的空氣側，模擬呼吸道上皮層中的流感感染。結果顯示，NCI-H1703和 HULEC-5a 細胞在24小時的感染率是6小時的7.7倍和1.5倍。

圖7 PR8流感病毒感染和抗病毒反應分析

總之，研究團隊使用高分辨率噴墨生物打印技術，在3D多層結構中重建四種基本肺泡細胞的肺泡模型。能夠逐層精確控制多種細胞類型的空間排列和種群，重現肺泡復雜的微結構和形態(tài)以及肺泡的主要功能，例如屏障完整性和表面活性劑的分泌。盡管該模型為三維結構，但是為平面形狀，并且無法模仿生理上吸入空氣是5%的線性伸長變化。如果在未來的工作中克服這種結構和功能的問題，噴墨打印的體外3D肺泡屏障模型將有可能成為研究呼吸系統疾病和藥物功效的新平臺。

參考文獻

Kang D, Park JA, Kim W, Kim S, Lee HR, Kim WJ, Yoo JY, Jung S. All-Inkjet-Printed 3D Alveolar Barrier Model with Physiologically Relevant Microarchitecture. doi:10.1002/advs.202004990（https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34026463）