復(fù)旦/上海理工團(tuán)隊(duì)： 3D打印支撐結(jié)構(gòu)，GelMA/PLMA制備囊膜混濁模型

來(lái)源： EFL生物3D打印與生物制造

后發(fā)性白內(nèi)障(PCO)，又稱后囊膜混濁，是白內(nèi)障術(shù)后一種主要的遠(yuǎn)期并發(fā)癥，，術(shù)后1-5年的發(fā)病率在成人中為20%-40%，在兒童中則高達(dá)100%。近年來(lái)，雖然有多種措施嘗試減少PCO的發(fā)生，但目前PCO發(fā)生發(fā)展機(jī)制尚未完全清楚，因此進(jìn)一步完善和發(fā)展PCO的預(yù)防和治療策略，對(duì)PCO發(fā)生機(jī)制進(jìn)行深入研究至關(guān)重要。

近期，復(fù)旦大學(xué)附屬醫(yī)院竺向佳教授、羅怡教授以及上海理工大學(xué)戴博教授團(tuán)隊(duì)在《Regenerative Biomaterials》上發(fā)表了題為“Fabrication of a 3D bioprinting model for posterior capsule opacification using GelMA and PLMA hydrogel-coated resin”的研究論文，提出了一種新的PCO模型用于模擬白內(nèi)障手術(shù)后透鏡囊的解剖結(jié)構(gòu)。研究人員利用EFL品牌的投影式光固化生物3D打印機(jī)（EFL-BP8601 Pro）并結(jié)合了光敏樹脂制備了一個(gè)剛性中空底座和蓋子的外部支撐結(jié)構(gòu)，后將水凝膠旋涂在樹脂支架上，構(gòu)建出透鏡囊結(jié)構(gòu)。后期通過(guò)一系列染色技術(shù)評(píng)估了各種水凝膠組合物的生物相容性和對(duì)細(xì)胞功能的影響，并探究了多種具有抗炎和抗增殖特性的藥物對(duì)人透鏡上皮細(xì)胞（HLEC）的作用，表明了PCO模型為研究PCO的發(fā)病機(jī)制和探索潛在的治療干預(yù)措施提供了一個(gè)有價(jià)值的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。   

為探索PCO的病理機(jī)制和藥物干預(yù)策略，研究工作者們開(kāi)發(fā)了多種體內(nèi)和體外模型，但這些模型在三維動(dòng)態(tài)培養(yǎng)、仿生袋狀支撐、微環(huán)境的模擬和干預(yù)等關(guān)鍵領(lǐng)域仍存在局限性。而本研究探討了一種新的體外PCO模型的構(gòu)建方法，先基于白內(nèi)障手術(shù)后透鏡的解剖結(jié)構(gòu)和透鏡囊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出三維模型，采用基于光敏樹脂的生物3D打印工藝構(gòu)建出穩(wěn)定的外層結(jié)構(gòu)以提供有效的支撐，后為了更好的模擬囊袋的囊壁結(jié)構(gòu)，將水凝膠薄涂在支架表面以建立良好的生長(zhǎng)微環(huán)境。整體PCO模型采用開(kāi)合式設(shè)計(jì)，便于模型精確定位、實(shí)驗(yàn)干預(yù)和染色觀察。

圖1 PCO模型的設(shè)計(jì)和構(gòu)建  

為確定最佳水凝膠混合物作為PCO模型的超薄涂層，研究人員通過(guò)評(píng)估不同濃度以及材料條件下細(xì)胞的可滲透性和生物相容性，選擇了5wt% GelMA60和2wt% ε-PLMA作為最佳混合物。而后為了更好的復(fù)制透鏡囊的晶狀體結(jié)構(gòu)并為人晶狀體上皮細(xì)胞（HLEC）培養(yǎng)創(chuàng)造最佳條件，比較了用水凝膠涂覆PCO模型的各種方法，發(fā)現(xiàn)采用旋涂法且轉(zhuǎn)速2000 rpm時(shí)得到的水凝膠涂層具有優(yōu)異的生物相容性、穩(wěn)定性、抗菌活性和低氧化應(yīng)激發(fā)生率，為HLEC提供了有利生長(zhǎng)環(huán)境。

圖2 PCO模型構(gòu)建、干預(yù)和分析示意圖

研究人員對(duì)比了培養(yǎng)皿培養(yǎng)、水凝膠3D打印培養(yǎng)、PCO模型構(gòu)建三種方法下細(xì)胞的活性以及脂質(zhì)過(guò)氧化水平，驗(yàn)證了用于PCO模型表面的水凝膠涂層的旋涂技術(shù)為HLEC培養(yǎng)提供了最佳環(huán)境，表明了所提出的PCO模型構(gòu)建方式確保了機(jī)械支撐、形態(tài)穩(wěn)定性和生物相容性特征之間的平衡。

圖3 PCO模型生物材料相容性評(píng)價(jià)

圖4 PCO模型氧化應(yīng)激水平的評(píng)價(jià)

研究人員基于PCO模型探究了所選擇的8種藥物的抗細(xì)胞凋亡、抗氧化應(yīng)激和抗炎特性，通過(guò)評(píng)估藥物對(duì)HLEC的作用證實(shí)了AICAR、雷帕霉素、4-OI在PCO模型中顯著抑制HLEC的增殖和遷移，表明了AICAR、雷帕霉素、4-OI是藥物開(kāi)發(fā)的理想靶點(diǎn)。   

圖5 PCO模型中藥物治療后的細(xì)胞遷移

圖6 藥物治療后PCO模型中的細(xì)胞遷移評(píng)價(jià)

綜上所述，本文成功開(kāi)發(fā)了一種新的PCO模型，該模型精心設(shè)計(jì)的參數(shù)模擬了白內(nèi)障手術(shù)后透鏡囊的狀態(tài)，而3D打印的中空底座提供了穩(wěn)定性和支撐，并應(yīng)用GelMA和PLMA復(fù)合水凝膠的微生物涂層為HLEC生長(zhǎng)創(chuàng)造了最佳的微環(huán)境。該模型不僅可用于研究PCO的發(fā)病機(jī)制，還可用于各種藥物干預(yù)研究，分析不同藥物干預(yù)PCO發(fā)生發(fā)展的效果，為精確干預(yù)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

文章來(lái)源：
https://doi.org/10.1093/rb/rbae020