《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(xì)胞-基質(zhì)相互作用，這對于細(xì)胞生長、功能和分化至關(guān)重要。當(dāng)開發(fā)富含細(xì)胞外基質(zhì)的器官（如肝臟）的體外疾病模型時，這一點(diǎn)尤其重要。肝病涉及慢性傷口愈合反應(yīng)，并形成疤痕組織，稱為肝纖維化。在早期階段，肝病可以逆轉(zhuǎn)，但隨著疾病的進(jìn)展，就不再可能逆轉(zhuǎn)，并且無法治愈。由于缺乏足夠的模型來復(fù)制纖維化肝臟中存在的機(jī)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(xué)的Bruno Sarmento團(tuán)隊(duì)結(jié)合細(xì)胞、生物打印和/或微流體技術(shù)，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(jìn)行了修訂。這些技術(shù)有助于復(fù)制不健康組織的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，并促進(jìn)培養(yǎng)基灌注，從而分別改善細(xì)胞生長和功能。提供了3D環(huán)境中材料提示和細(xì)胞-材料相互作用的影響的全面分析。

相關(guān)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(nèi)臟器官，肝臟的主要功能細(xì)胞是肝細(xì)胞，肝實(shí)質(zhì)細(xì)胞約占肝細(xì)胞的60 - 80%。它們負(fù)責(zé)大多數(shù)肝功能，如碳水化合物、氨基酸和脂質(zhì)代謝。在組織學(xué)上，肝臟是由數(shù)以百萬計(jì)的肝小葉組成的，肝小葉是肝臟的結(jié)構(gòu)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(xì)胞群的復(fù)雜性增加，細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)結(jié)構(gòu)急劇變化。纖維化通常被描述為一種慢性傷口愈合反應(yīng)，其特征是疤痕組織的積累，而不進(jìn)入修復(fù)階段。它與過度的ECM產(chǎn)生和ECM去除的減少有關(guān)，導(dǎo)致ECM成分的積累，逐漸用疤痕組織取代正常的肝實(shí)質(zhì)。纖維化肝表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)和功能的改變，并可能進(jìn)一步發(fā)展為肝硬化或肝癌，這是肝臟疾病最嚴(yán)重的階段(圖2)。

圖2 慢性肝病的進(jìn)展

活化的KCs和LSECs表達(dá)轉(zhuǎn)化生長因子-β(TGF-β)是主要的促纖維化細(xì)胞因子。TGF-β通過多種方式促進(jìn)肝纖維化。造血干細(xì)胞是纖維化的主要細(xì)胞介質(zhì)，造血干細(xì)胞向肌成纖維細(xì)胞的轉(zhuǎn)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(shù)量、組成和分布的改變。而纖維化逆轉(zhuǎn)可能涉及與HSC凋亡、衰老或靜止相關(guān)的機(jī)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(xì)胞來源用于創(chuàng)建3D體外模型：原代細(xì)胞，永生化細(xì)胞系和干細(xì)胞衍生細(xì)胞。在創(chuàng)建多細(xì)胞肝臟模型時，有必要對不同細(xì)胞群的模型組成進(jìn)行表征，并評估每種細(xì)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(xì)胞類型，依賴于與每種細(xì)胞類型相關(guān)的不同受體的表達(dá)(表1)。

表1 纖維化釋放的標(biāo)志物和主要肝細(xì)胞類型表達(dá)的受體

基于細(xì)胞的疾病模型，如球體或類器官，依賴于細(xì)胞的自組裝特性來創(chuàng)建3D結(jié)構(gòu)，與2D培養(yǎng)相比，更好地概括了體內(nèi)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(jìn)展和最終回歸至關(guān)重要。因此，包含用于細(xì)胞包埋的3D基質(zhì)對于在體外忠實(shí)地復(fù)制疾病微環(huán)境和提高藥物反應(yīng)的預(yù)測能力至關(guān)重要。

在肝臟疾病體外模型的背景下，3D生物打印通過復(fù)制肝小葉的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和細(xì)胞定位提供了獨(dú)特的優(yōu)勢。通過結(jié)合生物、機(jī)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(yīng)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(zhuǎn)移到肝臟疾病模型（圖4）。此外，為了提高肝臟模型的生理學(xué)相關(guān)性，3D生物打印和肝臟芯片方法已經(jīng)在一些研究中聯(lián)合使用，但主要是復(fù)制正常肝臟而不是肝纖維化（圖5）。表2列出了最相關(guān)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(yīng)用微流體的人正常肝臟和肝纖維化模型實(shí)例

圖5 人類正常肝臟和肝纖維化模型結(jié)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(shù)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(biāo)是建立一個肝臟疾病模型，包括主要疾病特征和分子機(jī)制。盡管肝臟疾病具有獨(dú)立于病因的共同特征，但模型開發(fā)應(yīng)考慮所提出治療的主要目標(biāo)。此外，還有一些技術(shù)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(shù)，并決定了肝臟微環(huán)境復(fù)制的忠實(shí)程度。材料的選擇始終是至關(guān)重要的一步：它必須經(jīng)受住打印過程，保持打印形狀，同時支持細(xì)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(shí)驗(yàn)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(yīng)用于制藥行業(yè)時，驗(yàn)證和標(biāo)準(zhǔn)化是必不可少的。總之，3D體外肝纖維化模型領(lǐng)域是生物材料如何應(yīng)用于改善疾病模型的生理相關(guān)性的完美例子，極大地有助于更準(zhǔn)確的藥物臨床前試驗(yàn)，并有望治愈慢性肝病。

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