免牺牲墨水直写灌注血管化类器官模型用于药物开发
Wu et al. | Adv. Funct. Mater. 2024 | DOI: 10.1002/adfm.202314171
标签: #3D生物打印 #血管化 #类器官 #药物筛选 #免牺牲墨水 #Cellink #BioX
| 维度 | 信息 |
|---|---|
| 期刊/年份 | Advanced Functional Materials, 2024, 34, 2314171 |
| 影响因子 | ~19 |
| 单位 | 德国柏林工业大学 (TU Berlin) 等 |
| DOI | 10.1002/adfm.202314171 |
| 核心技术 | SF-DIW（免牺牲墨水直写） |
| 核心发现 | 一步打印出含复杂血管网络的灌注类器官，兼容 Cellink BioX 打印机 |
一、做什么 🔬
核心问题
构建血管化类器官的最大难点在于如何形成中空的、可灌注的血管网络。现有主流技术（如同轴打印或牺牲墨水法）都有局限：
- 同轴打印：只能打印简单的直通道，无法形成复杂的树状分支网络。
- 牺牲墨水法：需要额外的步骤打印和移除牺牲材料（如 Pluronic F127），过程复杂且可能损伤细胞。
解决思路
开发了一种免牺牲墨水直写技术（SF-DIW），仅使用一种特制的 GelMA（甲基丙烯酰化明胶）生物墨水，通过精确控制打印压力和几何路径，直接打印出中空的悬垂结构（如血管网络），无需任何牺牲材料。
图 1：SF-DIW 与传统直写打印的对比，展示如何通过路径规划和材料特性实现无支撑中空结构的打印
| 维度 | 内容 |
|---|---|
| 做了什么 | 优化 GelMA 墨水的流变特性（剪切稀化、屈服应力），结合特定的打印路径策略，使沉积的材料在固化前能够保持中空形状不塌陷 |
| 发现什么 | 该墨水在打印过程中表现出优异的自支撑性，能够打印出悬垂角度达 60° 的复杂中空结构，且无需额外的支撑材料 |
| 说明什么 | 通过材料科学和打印策略的结合，可以跳过复杂的牺牲墨水步骤，简化血管化类器官的制造流程，提高细胞存活率和结构完整性 |
图 1→图 2 的逻辑：证明了打印中空结构可行后，需要验证这些中空结构是否真的能被液体灌注（即是否通畅）。
二、发现什么 📊
1. 悬垂结构与血管网络成型
SF-DIW 成功打印了多种复杂的中空几何形状，包括螺旋管、树状分支网络等。
图 2：（a）不同悬垂角度的打印测试；（b）打印出的各种复杂中空结构；（c）灌注测试展示流体通畅性
| 维度 | 内容 |
|---|---|
| 做了什么 | 打印具有不同悬垂角度（0°-60°）的测试模型，以及模仿真实血管形态的树状分支网络，并使用染料进行灌注测试 |
| 发现什么 | 所有角度的悬垂结构均成功打印且保持中空。染料灌注实验显示液体能顺畅流过整个网络，无泄漏或堵塞 |
| 说明什么 | 打印出的血管网络具有良好的连通性和机械稳定性，能够承受流体压力，满足后续灌注培养的物理要求 |
2. 灌注系统与类器官构建
为了实现长期的类器官培养，设计了配套的微泵灌注系统，并成功构建了肝类器官模型。
图 3：（a）微泵灌注系统示意图；（b）肝类器官在灌注条件下的存活与形态；（c）白蛋白分泌功能分析
| 维度 | 内容 |
|---|---|
| 做了什么 | 开发适配 24 孔板的微泵灌注系统，将打印好的肝细胞（HepaRG）模型连接后进行长达数周的动态灌注培养，并检测白蛋白分泌和代谢功能 |
| 发现什么 | 灌注组的肝细胞存活率显著高于静态培养组，白蛋白分泌量随时间持续增加，代谢酶（如 CYP3A）活性维持高水平 |
| 说明什么 | 动态灌注模拟了体内的血流环境，为细胞提供持续的氧气和营养，有效解决了厚组织模型核心的缺氧坏死问题，维持了肝脏的关键生理功能 |
3. 肿瘤转移模型与药物筛选
构建了灌注型肝转移瘤模型，用于测试抗癌药物的输送效率和毒性。
图 4：（a）肿瘤转移模型构建；（b）药物（Hoechst）在静态与灌注条件下的分布差异；（c）药物处理后肿瘤细胞存活率
| 维度 | 内容 |
|---|---|
| 做了什么 | 在肝基质中混入神经母细胞瘤细胞（NB-1），构建转移瘤模型。在灌注和静态条件下分别给予抗癌药物 Ceritinib，检测药物渗透深度和肿瘤细胞杀伤效果 |
| 发现什么 | 灌注条件下，药物能均匀渗透到模型深处的肿瘤区域；相比静态培养，灌注组的肿瘤细胞存活率降低了约 50%（p<0.01），显示出更高的药物敏感性 |
| 说明什么 | 血管化灌注模型能更真实地模拟药物在体内的递送过程。静态模型往往高估或低估药效，而灌注模型提供了更接近临床预测价值的筛选平台 |
4. 肿瘤微环境与感染模型应用
进一步将系统应用于复杂的肿瘤微环境模拟和细菌感染研究。
图 5：灌注条件下的细菌感染模型及细菌在组织中的定殖与扩散
| 维度 | 内容 |
|---|---|
| 做了什么 | 利用灌注系统引入细菌，观察细菌在类器官模型中的定殖行为，以及宿主细胞的免疫反应 |
| 发现什么 | 细菌能够通过灌注管道到达并定殖在组织内部，引发局部的炎症反应和组织损伤，复现了体内的感染过程 |
| 说明什么 | 该系统不仅适用于癌症研究，还可作为感染生物学模型，用于研究病原体与宿主组织的相互作用及抗生素筛选 |
三、说明什么 💡
核心价值
| 维度 | 评价 |
|---|---|
| 技术突破 | 免牺牲墨水法极大简化了血管化类器官的制造流程，降低了设备门槛和材料成本 |
| 生理相关性 | 灌注培养的类器官在代谢功能和药物敏感性上显著优于静态培养，提供了更可靠的临床前数据 |
| 通用性 | 系统兼容多类细胞（肝细胞、肿瘤细胞、内皮细胞等），可应用于肝毒性、肿瘤学、感染学等多个领域 |
与 Cellink 产品的关联
| 产品 | 关联度 | 具体应用场景 |
|---|---|---|
| Cellink Bio X / Bio X6 | ⭐⭐⭐⭐⭐ | 文中明确指出该 SF-DIW 工艺可在 Cellink Bio X 打印机上成功复现。可直接作为客户演示，展示 Bio X 打印血管化类器官的能力 |
| CELLINK Bioinks | ⭐⭐⭐⭐ | 本文使用的 GelMA 墨水可被 Cellink 的 GelMA 产品替代，结合 SF-DIW 工艺可作为高端 Bioink 配方参考 |
| 细胞药物筛选客户 | ⭐⭐⭐⭐⭐ | 药企和 CRO 需要更精准的体外筛选模型，该灌注平台可直接对标 Cellink 在药物研发领域的应用案例 |
| 肿瘤免疫研究 | ⭐⭐⭐ | 肿瘤转移模型和感染模型为肿瘤微环境研究提供了新工具，适合科研用户 |
销售话术方向
- "Cellink Bio X 也能打印血管化器官"——德国柏林工大的最新研究证明了这一点，不用昂贵的同轴打印头，用普通的直写喷头配合特定 GelMA 就能打出灌注血管，大大降低门槛
- "动态灌注药效更准"——静态培养的药效数据往往误导临床，我们的灌注模型能模拟真实血流，预测准确率更高，适合药企做 IND 申报前的毒理/药效评价
- "一套系统解决肿瘤/感染多场景"——不仅仅是肝模型，还能做肿瘤转移、细菌感染，一机多用
局限与展望
- 打印分辨率：虽然能打印中空结构，但微血管（<100 μm）的分辨率仍受限于喷嘴直径，未来需开发更高精度的喷头或墨水
- 多细胞共培养：目前的肿瘤模型主要依靠细胞混合，未来可尝试在血管壁和基质中分别打印不同细胞以增强生理真实感
参考文献
- Wu D, Pang S, Berg J, et al. Bioprinting of Perfusable Vascularized Organ Models for Drug Development via Sacrificial-Free Direct Ink Writing. Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2314171. DOI: 10.1002/adfm.202314171
- Kesti M, et al. Versatile 3D bioprinter for tissue engineering. Biofabrication 2015, 7, 045002. DOI: 10.1088/1758-5090/7/4/045002
- Skylar-Scott MA, et al. 3D bioprinting of vascularized, heterogeneous cell-laden tissue constructs. Nat. Commun. 2019, 10, 4045. DOI: 10.1038/s41467-019-12069-6
- Homan KA, et al. Bioprinting of 3D convoluted renal proximal tubules on perfusable chips. Sci. Rep. 2016, 6, 34845. DOI: 10.1038/srep34845
转发语：Cellink Bio X 直接打印灌注血管化器官模型！免牺牲墨水技术简化流程，药效筛选数据更准。
联系人：李东伟
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