近日，南京大学医学院鼓楼医院赵远锦教授研究团队利用新型的三维压印细胞片组装策略成功构建出仿生肝小叶。相关研究成果已经发表在国际权威期刊《Science Bulletin》（IF=18.9、一区top期刊）上。

肝脏是人体内最重要的器官之一，负责执行多种关键生理功能，如解毒、代谢和合成必需蛋白质。肝小叶是肝脏的基本结构单位，每个肝小叶由各种细胞类型（如肝细胞、库普弗细胞、内皮细胞等）和基质成分共同构成。这些细胞在肝小叶中的分布和排列是高度有序的，以确保肝脏的高效功能。仿生学（Biomimetics）是指模仿自然界的结构、功能和机制来设计和制造人造系统或材料。在肝脏组织工程中，研究人员致力于利用仿生学的方法来构建与天然肝小叶相似的组织模型。这种仿生方法不仅考虑了肝脏细胞的种类和数量，还试图重建它们在三维空间中的精确排列和相互作用，从而模拟肝脏的自然生理功能。通过这种方式，科学家们希望创建出功能性仿生肝小叶，为药物筛选、疾病模型构建和肝脏再生治疗提供新的平台。

尽管肝脏组织工程已有多年的研究进展，但目前仍存在一些显著的挑战和局限性。传统的二维细胞培养系统虽然在理解肝细胞行为方面提供了宝贵的见解，但它们无法准确模拟肝脏复杂的三维结构和多种细胞类型之间的动态相互作用。这种简化的系统导致实验结果与体内实际情况之间存在较大差距。此外，肝脏的血管网络和微环境在肝功能中起着至关重要的作用，而这些特征在简单的培养系统中难以有效重建。三维球形培养系统（如肝细胞球体）以及一些生物反应器虽然在一定程度上提高了培养条件的仿生性，但它们仍然缺乏对细胞层级和空间组织的精确控制。另外，基于动物模型的研究虽然为理解肝脏疾病和药物作用提供了重要参考，但跨物种之间的生理差异限制了这些模型的准确性和可推广性。因此，如何在体外精确重建肝小叶的三维微结构和多细胞动态环境成为肝脏组织工程中的一个关键科学问题。

三维印刷技术，尤其是生物印刷（bioprinting），近年来在组织工程领域展现了巨大的潜力。这种技术能够将细胞、支架材料和生物因子精确地沉积在特定的三维空间中，从而构建出复杂的组织结构。对于肝脏组织工程，三维印刷技术的引入为重建肝小叶提供了前所未有的精确性和灵活性。研究人员可以使用三维生物打印机，将不同种类的肝细胞按照特定的图案排列，形成多层细胞结构，模拟肝小叶中的细胞排列和组织特征。此外，三维印刷技术还可以结合先进的生物材料，如水凝胶或智能支架，这些材料能够提供类似于肝脏的微环境支持细胞生长和功能的发挥。与传统的二维或球形培养系统相比，三维印刷的仿生肝小叶在细胞功能、代谢活动和组织再生能力方面都有显著提升。这不仅为药物筛选提供了更可靠的平台，也为理解肝脏疾病的发生和发展机制提供了更加接近生理条件的模型。同时，在再生医学领域，三维印刷的仿生肝小叶为未来的肝移植和肝脏再生治疗提供了新的可能性，使得从患者自体细胞中生成个性化的肝组织成为潜在的治疗途径。

本研究采用三维生物印刷技术和细胞片工程构建仿生肝小叶模型。研究人员首先培养出多种肝脏相关细胞（如肝细胞、内皮细胞和星状细胞），并通过生物印刷设备将这些细胞片精确排列在支架材料上，形成三维层级结构，模拟肝小叶的微观结构。使用生物相容性材料（水凝胶）支持细胞的粘附、生长和分化，同时引入微通道网络模拟肝脏的血管系统，以促进细胞间的物质交换并维持长期功能。研究结果表明，这种仿生肝小叶在体外环境中保持了良好的细胞活力和生理功能，具有代谢、解毒和蛋白质合成等特性。此外，相较于传统的二维培养系统，该模型展示了更高的肝酶活性和药物代谢能力，证明其在药物筛选和肝脏疾病研究中的应用潜力。

活体成像和免疫组化

为了观察仿生肝小叶构造与大鼠原肝组织之间的相互作用，移植7天后，使用DiR染色和广州博鹭腾生物科技有限公司AniView多模式动物活体成像系统定位仿生肝小叶构造。结果显示，移植的细胞集中在肝脏区域，并具有明显的荧光强度（如上图a所示），表明肝小叶在肝脏内保持了其功能性。此外，对BLLC组的肝脏进行了免疫组化染色，通过人白蛋白（ALB）、α-平滑肌肌动蛋白（a-SMA）和CD31的染色来标记肝小叶，仿生肝小叶构造呈棕色，而肝脏切片由于抗体的种属特异性未被染色，形成了明显的分界线（如上图b所示）。结果表明，移植的仿生肝小叶构造维持了肝脏功能。CD31的阳性染色显示出保存良好的血管通道，确保了有效的物质交换。肝脏中的炎症因子水平对于肝脏再生至关重要。在急性肝衰竭（ALF）中，肝脏会产生严重的炎症风暴，加速肝损伤。而在移植后，与其他两组相比，BLLC组的促炎因子显著减少，抗炎因子表达增加。这表明仿生肝小叶构造的移植能够有效控制炎症反应并促进肝脏再生。这些发现突显了仿生肝小叶构造在肝脏再生过程中的移植潜力。

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.scib.2024.02.030