科學(xué)突破：3D打印技術(shù)成功"造出"會(huì)產(chǎn)奶的人工乳腺

2025年7月，南極熊獲悉，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院、科羅拉多大學(xué)和加州大學(xué)圣地亞哥分校的科研團(tuán)隊(duì)取得重大突破。他們使用3D打印技術(shù)創(chuàng)造出一種人工乳腺組織模型，這種模型能夠分泌類似乳汁的蛋白質(zhì)，為科學(xué)家們研究泌乳過(guò)程和激素反應(yīng)提供了全新途徑。



這項(xiàng)由蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院Marcy Zenobi-Wong教授領(lǐng)導(dǎo)的研究已發(fā)表在 Science Advances期刊上。研究團(tuán)隊(duì)巧妙地利用母乳中的細(xì)胞和3D打印技術(shù)，打造出了模仿真實(shí)乳腺結(jié)構(gòu)和功能的組織模型。

突破性的技術(shù)方法
研究人員采用體積式3D打印技術(shù)，配合特制的生物墨水制造出了類似人體乳房導(dǎo)管和腺泡的結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)正是負(fù)責(zé)乳汁生成和輸送的關(guān)鍵部位。這種特殊的生物墨水由去細(xì)胞化的牛乳腺組織制成，保留了超過(guò)1,300種蛋白質(zhì)，包括膠原蛋白、彈性蛋白等重要成分。其中I型膠原蛋白占比超過(guò)一半，這使得打印出來(lái)的支架能夠模擬真實(shí)乳腺組織的特性。


△立體打印仿生支架支持人乳乳腺上皮細(xì)胞體外泌乳。

人工組織展現(xiàn)自然反應(yīng)
為了讓打印材料更接近真實(shí)乳腺的物理特性，研究人員向其中添加了適量的I型膠原蛋白，使支架剛度達(dá)到約1,000Pa。雖然這低于自然乳腺組織的3,000至5,000Pa，但已足夠在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中培養(yǎng)細(xì)胞。這些打印結(jié)構(gòu)在實(shí)驗(yàn)室中能保持完好并使用長(zhǎng)達(dá)一個(gè)多月。

研究團(tuán)隊(duì)采用創(chuàng)新方法，直接從捐贈(zèng)母乳中提取乳腺上皮細(xì)胞，而不是通過(guò)傳統(tǒng)的活檢獲取。這些細(xì)胞雖然最初只占樣本的11%，經(jīng)過(guò)一輪培養(yǎng)后可以增長(zhǎng)到90%以上。它們不僅包含兩種主要類型的乳腺上皮細(xì)胞，還保留了對(duì)泌乳素（產(chǎn)奶關(guān)鍵激素）的反應(yīng)能力。


△人乳來(lái)源的原代乳腺上皮細(xì)胞(MECs)在二維體外培養(yǎng)中的表型特征分析

當(dāng)這些細(xì)胞被放入3D打印支架后，僅僅一周內(nèi)就形成了完整的上皮層。它們不僅保持活性，還開始產(chǎn)生角蛋白CK8和CK14，形成細(xì)胞間緊密連接，并生成β-酪蛋白和乳白蛋白等乳汁蛋白質(zhì)。更令人驚喜的是，它們還發(fā)展出了類似天然乳汁中的脂肪滴。測(cè)試顯示，無(wú)論是否添加外源泌乳素，這些細(xì)胞都能自主將β-酪蛋白分泌到培養(yǎng)基中。

環(huán)境影響細(xì)胞行為
研究人員還探究了物理環(huán)境對(duì)細(xì)胞行為的影響，研究人員制作了不同硬度的支架，發(fā)現(xiàn)在較軟的支架上，細(xì)胞會(huì)形成向外延伸的分支網(wǎng)絡(luò)；而在較硬的支架上，細(xì)胞則更傾向于留在打印結(jié)構(gòu)內(nèi)部。這表明周圍環(huán)境的硬度會(huì)影響組織如何組織自身以及細(xì)胞的生長(zhǎng)方式。

基因分析證實(shí)了這些細(xì)胞中存在多種產(chǎn)奶調(diào)節(jié)因子，包括STAT5、STAT6、ELF5、GATA3和PRLR。團(tuán)隊(duì)還檢測(cè)到了活化的STAT5蛋白，這表明泌乳素信號(hào)通路正常運(yùn)作。盡管不同捐贈(zèng)者的細(xì)胞表現(xiàn)出不同的分泌水平，但每個(gè)樣本都能對(duì)激素做出反應(yīng)并產(chǎn)生乳汁相關(guān)蛋白。


△用于乳腺組織工程應(yīng)用的高分辨率體積式打印去細(xì)胞化乳腺細(xì)胞外基質(zhì)(dECM mam)

模型優(yōu)勢(shì)與未來(lái)展望
與傳統(tǒng)的類器官模型相比，這種3D打印支架具有明顯優(yōu)勢(shì)。它不僅形狀更加一致、更易于監(jiān)測(cè)，還允許科研人員精確控制結(jié)構(gòu)并更方便地觀察分泌物質(zhì)。由于支架在使用前不含細(xì)胞，研究人員可以根據(jù)需要添加來(lái)自不同人群的細(xì)胞，無(wú)論是健康人還是患者。

未來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)還有很大的改進(jìn)空間。研究人員計(jì)劃添加模擬血流的灌注系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和激素的實(shí)時(shí)輸送。他們還考慮用特殊蛋白質(zhì)如層粘連蛋白或IV型膠原蛋白涂覆支架內(nèi)表面，以更好地支持長(zhǎng)期細(xì)胞生長(zhǎng)和組織形成。

這一創(chuàng)新模型為研究人類泌乳、激素反應(yīng)和乳腺組織發(fā)育提供了可靠且易用的工具，對(duì)基礎(chǔ)生物學(xué)研究有價(jià)值，還可用于研究藥物、環(huán)境因素和疾病對(duì)乳汁生成的影響。

3D打印技術(shù)在母乳研究中的更廣應(yīng)用
3D打印技術(shù)在母乳研究和護(hù)理領(lǐng)域還有更多應(yīng)用。

●抗菌材料開發(fā)商Copper3D開發(fā)了一種3D打印裝置，利用含有納米銅的抗菌材料PLACTIVE，有效降低母乳喂養(yǎng)過(guò)程中艾滋病病毒傳播風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試顯示，HIV-1樣本在接觸這種材料表面僅15秒后，病毒復(fù)制能力就下降了58.6%。

●來(lái)自倫敦大學(xué)學(xué)院等機(jī)構(gòu)的研究人員開發(fā)的3D打印設(shè)備，用于研究新生兒面部觸覺(jué)反應(yīng)，幫助科學(xué)家們更好地理解早產(chǎn)兒在母乳喂養(yǎng)中遇到的困難。這種戴在手指上的小裝置可以對(duì)嬰兒臉頰進(jìn)行輕微刺激，同時(shí)記錄大腦反應(yīng)，為研究早期感覺(jué)發(fā)育提供了安全有效的方法。

原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu5793