本文介绍了一项由Deng等人于2024年6月7日发表在《Science Advances》上的研究，题为“通过移植3D生物打印肝脏与扩增的原代肝细胞恢复小鼠肝功能”。该研究由来自中国医学科学院和北京协和医学院的多个研究团队合作完成，主要作者包括Bo Deng、Yue Ma、Jialyu Huang等，通讯作者为Pengyu Huang、Lanxia Liu和Huayu Yang。

研究背景

肝脏在糖原储存、药物代谢和分泌蛋白合成等生化反应中具有不可替代的作用。然而，肝衰竭等疾病对患者生命构成严重威胁。尽管原位肝移植（OLT）是治疗终末期肝病的首选方法，但供体短缺已成为全球性危机。因此，开发功能性和结构上与天然肝脏相似的人工肝脏成为再生医学的重要目标。近年来，三维（3D）生物打印技术的进步为构建生物人工肝脏提供了新的可能性。本研究利用体外扩增的原代肝细胞（eHep细胞）作为肝细胞来源，结合优化的生物墨水材料，成功构建了3D生物打印肝脏（3DP-肝脏），并在小鼠模型中验证了其治疗肝衰竭的潜力。

研究流程

1. 3D生物打印肝脏支架凝胶的开发
   研究团队开发了一种名为“3D生物打印脱细胞肝支架凝胶”（3D-DLS凝胶）的生物墨水，其主要成分包括明胶、海藻酸钠和脱细胞肝基质（LDCM）。通过优化凝胶的机械性能和流变学特性，确定了5%浓度的3D-DLS凝胶具有最佳的打印性能和生物相容性。该凝胶能够为肝细胞提供类似于天然肝脏的机械微环境，并支持肝细胞的增殖和功能成熟。

2. 体外扩增原代小鼠肝细胞
   从小鼠肝脏中分离出原代肝细胞，并通过肝细胞扩增培养基（HEM）诱导其增殖。扩增后的eHep细胞能够连续传代超过25代，并保持其肝细胞特性和功能，如糖原储存和药物代谢能力。

3. 3DP-肝脏的生物相容性评估
   将eHep细胞分散在3D-DLS凝胶中进行3D生物打印，结果显示5%浓度的凝胶能够支持eHep细胞的高存活率和持续增殖。此外，3DP-肝脏在体外培养中表现出成熟的肝功能表型，如糖原储存和药物代谢能力。

4. 3DP-肝脏的体外肝功能验证
   通过基因表达分析和功能实验，研究团队发现3DP-肝脏中的eHep细胞表现出更高的肝功能相关基因表达水平，并且能够响应药物诱导的细胞色素P450酶活性变化。此外，3DP-肝脏还表现出糖原储存、药物代谢和低密度脂蛋白摄取等成熟的肝功能。

5. 3DP-肝脏在小鼠肝衰竭模型中的治疗潜力
   将3DP-肝脏移植到酪氨酸血症（FAH缺陷）小鼠和90%肝切除小鼠的肠系膜中，结果显示3DP-肝脏能够通过新生毛细血管与宿主血管系统快速整合，恢复肝功能并显著延长肝衰竭小鼠的生存期。此外，3DP-肝脏移植还显著改善了小鼠的血清生化指标，减轻了肝损伤。

6. 含人工血管的3DP-肝脏移植
   研究团队还开发了含人工血管的3DP-肝脏，并通过层间打印技术将其与宿主血管系统直接连接。实验表明，人工血管能够实现生物分子的扩散和葡萄糖的运输，展示了其在原位肝移植中的潜力。

主要结果

1. 3D-DLS凝胶的优化：5%浓度的3D-DLS凝胶具有最佳的打印性能和生物相容性，能够支持eHep细胞的高存活率和功能成熟。
2. eHep细胞的扩增与功能：体外扩增的eHep细胞能够连续传代并保持肝细胞特性，为3DP-肝脏的构建提供了充足的细胞来源。
3. 3DP-肝脏的肝功能：3DP-肝脏在体外表现出成熟的肝功能，包括糖原储存、药物代谢和细胞色素P450酶活性。
4. 肝衰竭小鼠的治疗效果：3DP-肝脏移植能够恢复肝衰竭小鼠的肝功能，显著延长其生存期，并改善血清生化指标。
5. 人工血管的应用：含人工血管的3DP-肝脏能够与宿主血管系统直接连接，展示了其在原位肝移植中的潜力。

结论

本研究通过3D生物打印技术成功构建了功能性生物人工肝脏，并在小鼠模型中验证了其治疗肝衰竭的潜力。3DP-肝脏不仅能够恢复肝功能，还能通过人工血管与宿主血管系统整合，展示了其在再生医学中的广泛应用前景。该研究为肝衰竭的治疗提供了新的思路，并为未来开发更大规模的人工肝脏奠定了基础。

研究亮点

1. 创新性方法：首次利用体外扩增的原代肝细胞结合3D生物打印技术构建功能性生物人工肝脏。
2. 治疗潜力：3DP-肝脏移植能够显著延长肝衰竭小鼠的生存期，展示了其在临床治疗中的潜力。
3. 人工血管的应用：含人工血管的3DP-肝脏能够与宿主血管系统直接连接，为原位肝移植提供了新的解决方案。

研究意义

该研究不仅推动了3D生物打印技术在再生医学中的应用，还为肝衰竭的治疗提供了新的策略。通过结合体外扩增的肝细胞和优化的生物墨水材料，研究团队成功构建了功能性生物人工肝脏，展示了其在临床治疗中的巨大潜力。未来，随着技术的进一步优化，3DP-肝脏有望成为解决肝移植供体短缺问题的重要工具。