生物3D打印在干細(xì)胞肝類器官治療肝衰竭中的應(yīng)用及相關(guān)問題解答
2025 年 6 月，清華大學(xué)龐媛、北京大學(xué)鄧宏魁團(tuán)隊(duì)在《Gut》（影響因子 25.8）發(fā)表研究，利用人化學(xué)誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（hCiPSCs）衍生肝細(xì)胞類器官（hCiPSC-HOs），通過 3D 生物打印構(gòu)建肝臟組織模型（3DP-HOs），并經(jīng)轉(zhuǎn)錄組分析及 CCl₄誘導(dǎo)的急性慢性肝衰竭（ACLF）、Fah⁻/⁻肝衰竭雙動物模型驗(yàn)證。該研究解決了傳統(tǒng)技術(shù)的細(xì)胞來源、功能維持等問題，3DP-HOs 存活率超 90%，功能接近原代肝細(xì)胞，顯著提升模型小鼠存活率（ACLF 模型 85.7%、Fah⁻/⁻模型 80%），為肝衰竭治療及再生醫(yī)學(xué)提供新范式。
一、研究背景
肝衰竭威脅生命，肝移植是終末期治療金標(biāo)準(zhǔn)，但供體嚴(yán)重短缺。傳統(tǒng)組織工程技術(shù)（如微囊化、細(xì)胞片技術(shù)）難以模擬肝臟微環(huán)境且機(jī)械強(qiáng)度不足；單細(xì)胞 3D 生物打印因細(xì)胞間相互作用不足，難以長期維持肝細(xì)胞功能；同時，肝癌細(xì)胞系等肝細(xì)胞來源存在功能缺陷，這些問題推動了新研究的開展。
二、研究概況
發(fā)表信息：2025 年 6 月 6 日發(fā)表于《Gut》（影響因子 25.8），清華大學(xué)龐媛、北京大學(xué)鄧宏魁為共同通訊作者。
研究主題：利用人化學(xué)誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（hCiPSCs）衍生的肝細(xì)胞類器官（hCiPSC-HOs）進(jìn)行 3D 生物打印構(gòu)建肝臟組織模型（3DP-HOs），評估其對肝衰竭的治療效果。
三、研究亮點(diǎn)
hCiPSCs 作為細(xì)胞來源：產(chǎn)生高活性、功能性的 hCiPSC-HOs，解決臨床肝臟細(xì)胞來源不足問題。
氧氣滲透微孔裝置培養(yǎng)：提高細(xì)胞存活率，增強(qiáng)功能成熟度，使 hCiPSC-HOs 更接近真實(shí)肝臟細(xì)胞功能。
球體生物打印技術(shù)：相比傳統(tǒng)單細(xì)胞打印，保留豐富細(xì)胞間相互作用，貼近天然肝臟結(jié)構(gòu)和功能，利于肝細(xì)胞長期穩(wěn)定和功能表達(dá)。
四、研究思路
利用透氧微孔裝置培養(yǎng) hCiPSC-HPCs，使其自組裝形成球體并成熟為 hCiPSC-HOs（高活性、功能性）。
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六、文章小結(jié)
本研究整合干細(xì)胞技術(shù)、類器官培養(yǎng)、生物 3D 打印技術(shù)，構(gòu)建出高細(xì)胞密度、高功能性的可移植肝臟組織模型（3DP-HOs）。經(jīng)轉(zhuǎn)錄組測序和動物模型驗(yàn)證，證實(shí)其在肝衰竭治療中療效顯著，為肝組織工程和再生醫(yī)學(xué)提供了全新范式，具有重要臨床研究潛力。
關(guān)鍵問題：
問題：該研究采用的 3D 生物打印技術(shù)與傳統(tǒng)單細(xì)胞生物打印技術(shù)相比，核心優(yōu)勢是什么？
答案：傳統(tǒng)單細(xì)胞生物打印因細(xì)胞間相互作用不足，難以長期維持肝細(xì)胞功能；而本研究采用的基于球體的生物打印技術(shù)，能保留細(xì)胞間豐富的相互作用，更貼近天然肝臟組織的結(jié)構(gòu)和功能，且可構(gòu)建高密度（14.3×10⁷ cells/mL）肝組織，顯著提升細(xì)胞存活率（>90%）和功能恢復(fù)速度（2 天內(nèi)達(dá)峰值），有利于肝細(xì)胞長期穩(wěn)定性和功能表達(dá)。
問題：研究中使用的 hCiPSC-HOs 作為生物打印 “肝單位”，其功能性如何體現(xiàn)？
答案：hCiPSC-HOs 通過透氧微孔裝置培養(yǎng)，存活率超 90%，形態(tài)穩(wěn)定；其肝功能標(biāo)志物（如 HNF4A、ALB 等）表達(dá)正常，代謝活性（白蛋白分泌、尿素循環(huán)、藥物代謝等）與原代肝細(xì)胞（PHHs）相當(dāng)，具備作為優(yōu)質(zhì)生物打印 “肝單位” 的功能基礎(chǔ)。
問題：在動物模型中，3DP-HOs 治療肝衰竭的關(guān)鍵機(jī)制是什么？
答案：在 ACLF 模型中，3DP-HOs 通過持續(xù)分泌功能性肝蛋白（如 hALB）替代受損肝功能、下調(diào) IL-1β/TNF-α 等炎癥因子減輕凋亡、抑制纖維化標(biāo)志物表達(dá)逆轉(zhuǎn)肝損傷；在 Fah⁻/⁻模型中，通過移植肝細(xì)胞增殖并維持 ALB 分泌、下調(diào) Trp53/p16 通路促進(jìn)肝再生、抑制 IL-6/TNF-α 等炎癥風(fēng)暴發(fā)揮作用，且長期植入中可自發(fā)血管化保障營養(yǎng)供給，維持功能穩(wěn)定。
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一、研究背景
肝衰竭威脅生命，肝移植是終末期治療金標(biāo)準(zhǔn)，但供體嚴(yán)重短缺。傳統(tǒng)組織工程技術(shù)（如微囊化、細(xì)胞片技術(shù)）難以模擬肝臟微環(huán)境且機(jī)械強(qiáng)度不足；單細(xì)胞 3D 生物打印因細(xì)胞間相互作用不足，難以長期維持肝細(xì)胞功能；同時，肝癌細(xì)胞系等肝細(xì)胞來源存在功能缺陷，這些問題推動了新研究的開展。
二、研究概況
發(fā)表信息：2025 年 6 月 6 日發(fā)表于《Gut》（影響因子 25.8），清華大學(xué)龐媛、北京大學(xué)鄧宏魁為共同通訊作者。
研究主題：利用人化學(xué)誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（hCiPSCs）衍生的肝細(xì)胞類器官（hCiPSC-HOs）進(jìn)行 3D 生物打印構(gòu)建肝臟組織模型（3DP-HOs），評估其對肝衰竭的治療效果。
三、研究亮點(diǎn)
hCiPSCs 作為細(xì)胞來源：產(chǎn)生高活性、功能性的 hCiPSC-HOs，解決臨床肝臟細(xì)胞來源不足問題。
氧氣滲透微孔裝置培養(yǎng)：提高細(xì)胞存活率，增強(qiáng)功能成熟度，使 hCiPSC-HOs 更接近真實(shí)肝臟細(xì)胞功能。
球體生物打印技術(shù)：相比傳統(tǒng)單細(xì)胞打印，保留豐富細(xì)胞間相互作用，貼近天然肝臟結(jié)構(gòu)和功能，利于肝細(xì)胞長期穩(wěn)定和功能表達(dá)。
四、研究思路
- 細(xì)胞來源與培養(yǎng)
利用透氧微孔裝置培養(yǎng) hCiPSC-HPCs，使其自組裝形成球體并成熟為 hCiPSC-HOs（高活性、功能性）。
- 生物 3D 打印
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- 轉(zhuǎn)錄組分析
通過 RNA-seq 比較 hCiPSC-HPCs、hCiPSC-Heps、hCiPSC-HOs、3DP-HOs 和原代肝細(xì)胞（PHHs）的基因表達(dá)特征，從分子水平評估 3DP-HOs 的肝功能。
- 動物雙模型驗(yàn)證
在 CCl₄誘導(dǎo)的急性慢性肝衰竭（ACLF）小鼠模型和 Fah⁻/⁻肝衰竭小鼠模型中植入 3DP-HOs，評估治療效果。
五、研究結(jié)果
五、研究結(jié)果
| 研究內(nèi)容 | 關(guān)鍵結(jié)果 |
| 大規(guī)模生成 hCiPSC-HOs | 存活率 > 90%，肝功能標(biāo)志物表達(dá)及代謝活性（白蛋白分泌等）與 PHHs 相當(dāng) |
| 3D 打印構(gòu)建肝組織模型 | 打印后細(xì)胞存活率 > 90%，2 天內(nèi)功能達(dá)峰值，功能接近 PHHs，細(xì)胞密度達(dá) 14.3×10⁷ cells/mL |
| 轉(zhuǎn)錄組分析 | hCiPSC-HOs 與 3DP-HOs 基因表達(dá)譜相似，均更接近 PHHs，肝功能相關(guān)基因上調(diào) |
| ACLF 模型小鼠驗(yàn)證 | 存活率從 0% 提升至 85.7%，通過分泌肝蛋白、減輕炎癥等發(fā)揮作用 |
| Fah⁻/⁻模型小鼠驗(yàn)證 | 存活率從 0% 提升至 80%，治療效果持續(xù) 60 天，促進(jìn)肝再生、抑制炎癥 |
| 3DP-HOs 長期穩(wěn)定性 | 60 天結(jié)構(gòu)完整，自發(fā)血管化，維持 ALB/CYP3A4 分泌，具備膽管分化潛能 |
六、文章小結(jié)
本研究整合干細(xì)胞技術(shù)、類器官培養(yǎng)、生物 3D 打印技術(shù)，構(gòu)建出高細(xì)胞密度、高功能性的可移植肝臟組織模型（3DP-HOs）。經(jīng)轉(zhuǎn)錄組測序和動物模型驗(yàn)證，證實(shí)其在肝衰竭治療中療效顯著，為肝組織工程和再生醫(yī)學(xué)提供了全新范式，具有重要臨床研究潛力。
關(guān)鍵問題：
問題：該研究采用的 3D 生物打印技術(shù)與傳統(tǒng)單細(xì)胞生物打印技術(shù)相比，核心優(yōu)勢是什么？
答案：傳統(tǒng)單細(xì)胞生物打印因細(xì)胞間相互作用不足，難以長期維持肝細(xì)胞功能；而本研究采用的基于球體的生物打印技術(shù)，能保留細(xì)胞間豐富的相互作用，更貼近天然肝臟組織的結(jié)構(gòu)和功能，且可構(gòu)建高密度（14.3×10⁷ cells/mL）肝組織，顯著提升細(xì)胞存活率（>90%）和功能恢復(fù)速度（2 天內(nèi)達(dá)峰值），有利于肝細(xì)胞長期穩(wěn)定性和功能表達(dá)。
問題：研究中使用的 hCiPSC-HOs 作為生物打印 “肝單位”，其功能性如何體現(xiàn)？
答案：hCiPSC-HOs 通過透氧微孔裝置培養(yǎng)，存活率超 90%，形態(tài)穩(wěn)定；其肝功能標(biāo)志物（如 HNF4A、ALB 等）表達(dá)正常，代謝活性（白蛋白分泌、尿素循環(huán)、藥物代謝等）與原代肝細(xì)胞（PHHs）相當(dāng)，具備作為優(yōu)質(zhì)生物打印 “肝單位” 的功能基礎(chǔ)。
問題：在動物模型中，3DP-HOs 治療肝衰竭的關(guān)鍵機(jī)制是什么？
答案：在 ACLF 模型中，3DP-HOs 通過持續(xù)分泌功能性肝蛋白（如 hALB）替代受損肝功能、下調(diào) IL-1β/TNF-α 等炎癥因子減輕凋亡、抑制纖維化標(biāo)志物表達(dá)逆轉(zhuǎn)肝損傷；在 Fah⁻/⁻模型中，通過移植肝細(xì)胞增殖并維持 ALB 分泌、下調(diào) Trp53/p16 通路促進(jìn)肝再生、抑制 IL-6/TNF-α 等炎癥風(fēng)暴發(fā)揮作用，且長期植入中可自發(fā)血管化保障營養(yǎng)供給，維持功能穩(wěn)定。
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