生物打印类器官：生物医学创新引擎
来源文献: Li Z, Li K, Zhang C, et al. Bioprinted Organoids: An Innovative Engine in Biomedicine. Advanced Science. 2025;12:e07317.
DOI: 10.1002/advs.202507317
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发表日期: 2025年
机构: 郑州大学 · 中国科学院深圳先进技术研究院
核心内容
这篇 Advanced Science 2025 综述由郑州大学团队完成，系统总结了生物打印类器官（Bioprinted Organoids）这一新兴交叉领域的最新进展。该综述首次将生物打印类器官分为三类（iPSC 来源、成体干细胞来源、肿瘤细胞来源），并详细讨论了其在人体组织建模、疾病建模、药物筛选和再生医学中的应用。
生物打印类器官 vs 传统模型
| 特性 | 生物打印类器官 | 2D 培养 | 传统类器官 | 动物模型 | 器官芯片 |
|---|---|---|---|---|---|
| 结构仿生 | 高：复杂 3D 结构 | 低：单层细胞 | 中：简单结构 | 低：种属决定 | 中：部分器官 |
| 形态可塑性 | 高：个性化设计 | 低：无 3D 形态 | 低：无 3D 形态 | 低：无可塑性 | 中：部分可塑 |
| 生理相似度 | 高：接近人体组织 | 低：缺乏内环境 | 中：模拟特定环境 | 高：模拟内环境 | 中：模拟特定环境 |
| 细胞多样性 | 高：多细胞类型 | 低：主要单细胞 | 中：有限细胞类型 | 高：天然细胞类型 | 低：2+ 种细胞 |
| 药物筛选 | 高 | 中-高 | 中 | 低 | 中 |
| 毒性评估 | 高：少种属差异 | 低：难预测 | 中：部分毒理 | 高：准确预测 | 中：部分毒理 |
| 伦理问题 | 低 | 低 | 低 | 严格监管 | 低 |
| 临床前进展 | 高：接近人体组织 | 低：研究有限 | 中：种属差异 | 高：部分研究 | 中：有限验证 |
图3 | 生物打印类器官相比传统模型的优势
类器官发展里程碑
- 1907: H.V. Wilson 发现海绵细胞可自组织重组
- 2006: Yamanaka 发现 iPSCs（诺贝尔奖）
- 2009: Hans Clevers 培养首个肠隐窝 - 绒毛类器官
- 2013: Science 将类器官评为年度十大科学突破
- 2015: 多种器官类器官成功培养（肾、肝、肺、脑等）
- 2024: 苏春张团队首次生物打印脑类器官，形成复杂神经网络
图2 | 类器官领域里程碑突破
四大生物打印技术
1. 挤出式生物打印（Extrusion-based）
- 优点：材料兼容性高、成本低、多材料支持、高细胞密度
- 缺点：分辨率低、细胞损伤、结构变形
- 应用：大尺寸组织构建、多细胞共打印
2. 喷墨式生物打印（Inkjet）
- 优点：高速、高分辨率、高细胞存活率、多喷头
- 缺点：低粘度限制、喷嘴堵塞风险、需要后处理
- 应用：高通量药物筛选、图案化细胞分布
3. 激光辅助生物打印（Laser-assisted）
- 优点：无喷嘴、单细胞精度、高粘度兼容
- 缺点：设备成本高、材料依赖性
- 应用：高精度血管网络、神经回路构建
4. 光固化生物打印（DLP/SLA）
- 优点：超高分辨率、无剪切应力、表面光滑
- 缺点：光毒性、材料选择有限、成本高
- 应用：微流控器官芯片、精细结构
图1 | 生物打印与传统类器官技术的混合策略
三大类生物打印类器官
1. iPSC 来源类器官
- 神经类器官：脑、脊髓、视网膜
- 心脏类器官：心肌、心脏瓣膜
- 肝脏类器官：肝小叶、胆管
- 肾脏类器官：肾单位、肾小球
- 2024 突破：苏春张团队生物打印多层脑类器官，形成跨层神经网络
图4 | ESCs 和 iPSCs 来源的生物打印类器官
2. 成体干细胞（ASC）来源类器官
- 肠道类器官：隐窝 - 绒毛结构、药物吸收
- 肺类器官：气道、肺泡
- 皮肤类器官：表皮 - 真皮结构
- 胰腺类器官：胰岛、外分泌
3. 肿瘤细胞来源类器官
- 患者来源肿瘤类器官（PDOs）：保留肿瘤异质性
- 药物筛选：个性化药敏测试
- 肿瘤微环境：共培养免疫细胞、成纤维细胞
- 优势：比 PDX 小鼠周期短、成本低、可高通量
图6 | 肿瘤来源的生物打印类器官及应用
生物打印类器官的功能验证
心脏类器官
- 自发跳动：打印后形成同步收缩
- 电生理：MEA 记录到动作电位
- 药物响应：异丙肾上腺素增加心率，维拉帕米降低心率
肝脏类器官
- 代谢功能：白蛋白分泌、尿素合成、CYP450 活性
- 药物毒性：对乙酰氨基酚肝毒性检测
- 疾病建模：NAFLD、肝炎
肾脏类器官
- 滤过功能：白蛋白重吸收、药物转运
- 肾毒性：顺铂、庆大霉素肾损伤模型
图5 | 生物打印类器官的功能验证
挑战与未来方向
当前挑战
| 挑战 | 描述 |
|---|---|
| 血管化 | 缺乏血管网络限制尺寸和功能 |
| 免疫微环境 | 难以重建完整免疫系统 |
| 标准化 | 批次间差异大，缺乏质控标准 |
| 成熟度 | 类器官成熟度低于体内器官 |
| 多器官互作 | 单一类器官无法模拟器官间通讯 |
未来方向
- 血管化策略——共打印内皮细胞、牺牲模板、微流控灌注
- 免疫共培养——整合 T 细胞、巨噬细胞、DC 细胞
- 多器官芯片——连接多个类器官，模拟器官间互作
- AI 辅助设计——机器学习优化打印参数和生物墨水配方
- 临床转化——GMP 级生产、监管审批、临床试验
论文信息
| 项目 | 内容 |
|---|---|
| 标题 | Bioprinted Organoids: An Innovative Engine in Biomedicine |
| 期刊 | Advanced Science |
| 发表日期 | 2025年 |
| DOI | 10.1002/advs.202507317 |
| 第一作者 | Zhengwei Li（郑州大学） |
| 通讯作者 | Zhengwei Li, Pingping Zhu, Zhenzhen Chen, Changshun Ruan |
| 合作机构 | 郑州大学 · 中国科学院深圳先进技术研究院 · 天健实验室 |
| 文章类型 | 综述（26 页） |
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