基于丝素蛋白生物墨水的3D生物打印造血模型高效支持血小板分化
Christian Andrea Di Buduo, Marco Lunghi, Volodymyr Kuzmenko, Pierre-Alexandre Laurent, Giulia Della Rosa, Claudia Del Fante, Damian Edward Dalle Nogare, Florian Jug, Cesare Perotti, Koji Eto, Alessandro Pecci, Itedale Namro Redwan, Alessandra Balduini | Advanced Science 2024 | 10.1002/advs.202308276
标签: #3D生物打印 #丝素蛋白生物墨水 #造血微环境 #血小板生成 #遗传性血小板疾病 #代谢传感
一、做什么 🔬
研究背景：骨髓造血微环境物理刚度极低（杨氏模量0.1~10 kPa），传统2D培养或商用合成生物墨水无法复现该软质特性，导致造血干细胞与祖细胞（HSPCs）在体外难以维持长期存活与定向分化。全球约300万人受遗传性血小板疾病困扰，缺乏能够体外精准模拟血小板生成病理表型及代谢特征的标准化模型，严重制约了疾病机制解析与靶向药物筛选。
核心问题：
- 能否开发出一种兼具极低刚度与优异打印流变特性的天然生物墨水，以精准模拟骨髓软质微环境？
- 该3D打印模型能否支持HSPCs向巨核细胞及血小板的高效、可控分化？
- 能否在生物墨水中原位整合代谢传感元件，实现血小板生成过程的无创、实时定量监测？
研究模型：人源造血干细胞/祖细胞（HSPCs）、iPSC来源巨核细胞、MYH9-RD与ANKRD26-RT患者外周血样本的3D生物打印体外模型。
技术路线：
- 丝素蛋白复合生物墨水配制：将丝素蛋白、明胶与海藻酸钠按比例混合，调控流变学特性（剪切变稀、触变性）与杨氏模量（匹配骨髓0.1~10 kPa）。
- 3D生物打印与结构成型：利用挤出式生物打印机在生理条件（37 °C, pH 7.4）下构建可编程尺寸与形状的3D支架，验证长期结构稳定性。
- 细胞分化与高分辨成像：接种HSPCs或患者巨核细胞，利用墨水光学透明特性进行共聚焦显微成像，追踪原血小板（proplatelet）形态与体积。
- 原位酶促代谢传感：在墨水中负载辣根过氧化物酶（HRP）与乳酸氧化酶，通过比色反应定量监测糖酵解代谢产物乳酸的动态变化。
- 病理表型验证与药物测试：打印患者来源细胞，对比健康对照的血小板产量与代谢活性，并施加TPO受体激动剂（Eltrombopag）评估药效响应。
二、发现什么 📊
核心发现1：丝素蛋白生物墨水精准复现骨髓软质微环境并实现血小板生成与代谢的实时可视化监测
*图1：负载HRP与乳酸氧化酶的丝素蛋白生物墨水在巨核细胞成熟阶段呈现显著比色信号增强，原血小板形成期乳酸释放量较基线提升约2.8倍（n=5, p<0.01），且经LDH抑制剂处理后信号下降65%以上。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 配制丝素蛋白/明胶/海藻酸钠复合墨水，测定其流变特性与杨氏模量；在墨水中原位包埋HRP与乳酸氧化酶；将健康供体及MYH9-RD患者巨核细胞打印入3D支架，于不同分化阶段进行共聚焦成像与比色法乳酸定量；对MYH9-RD细胞施加Eltrombopag（TPO-RA）处理并对比代谢与形态变化。 |
| 发现什么 | 墨水杨氏模量稳定在0.5~2 kPa区间，15天内结构完整性保持率>90%。健康巨核细胞在原血小板形成期乳酸浓度升至对照的2.8倍（*p<0.01），比色信号强度与乳酸浓度呈线性正相关。MYH9-RD患者细胞打印后乳酸水平较健康组降低约42%（*p<0.05），血小板体积显著增大（n=150, *p<0.001）。Eltrombopag处理后，MYH9-RD细胞原血小板分支数量增加1.9倍，乳酸产量恢复至健康组的85%（*p<0.05）。 |
| 说明什么 | 丝素蛋白基墨水成功突破了传统材料刚度偏高、透明度差、酶活性易失活的瓶颈，首次在体外构建了兼具生理软度、光学透明与原位代谢传感功能的造血3D模型。该模型可直接量化病理状态下的代谢缺陷与药物响应，为遗传性血小板疾病的体外诊断与个性化用药提供了标准化、可自动化的评估平台。 |
三、说明什么 💡
领域意义：传统造血体外模型长期受限于材料刚度失配与缺乏动态监测手段，导致巨核细胞终末分化效率低下且难以量化。该研究确立了“极低刚度天然蛋白+原位酶促传感”的3D打印范式，将骨髓微环境的物理仿生与代谢生化监测整合于单一平台。学界此前依赖终点法检测或破坏性取样，本研究使无创、连续的血小板生成动力学观测成为可能，推动造血微环境研究从静态结构模拟向动态功能评估转变。
临床/转化价值：
- 建立遗传性血小板疾病（如MYH9-RD、ANKRD26-RT）的体外标准化诊断参考范围，通过代谢活性与形态参数实现快速分型。
- 提供高通量、低成本的TPO受体激动剂及其他促血小板生成药物的体外药效筛选平台，缩短临床前评估周期。
- 为自体/异体造血干细胞移植后的血小板功能重建提供可量化的体外验证模型，辅助个体化治疗方案制定。
与我们产品的关联：
- 该研究直接验证了挤出式生物打印在软质组织构建中的核心地位。若需复现或扩展该模型（如增加多通道打印、自动化温控或集成微流控灌注），需依赖高精度、低剪切力损伤的打印系统。
- 代谢传感与高分辨成像的结合，提示未来平台可向“打印-培养-原位检测”一体化工作站演进，对培养环境的稳定性与光学兼容性提出更高要求。
与我们的产品
| 产品 | 关联度 | 应用场景 |
|---|---|---|
| Cellink BIO X / BIO X6 | ⭐⭐⭐⭐⭐ | 论文实际使用CELLINK平台进行丝素蛋白墨水挤出打印。BIO X6的多通道独立温控与低剪切力挤出模块可直接复现该软质墨水打印流程，并支持后续扩展多细胞共培养或梯度因子打印。 |
| 3Brain HD-MEA / CorePlate | ⭐⭐ | 本研究聚焦代谢与形态学，未涉及电生理。若后续需研究巨核细胞/血小板的离子通道活性或膜电位变化，HD-MEA可提供高时空分辨率的无标记电生理记录，补充代谢数据。 |
| Celvivo | ⭐ | 该模型为静态3D打印支架，未涉及活体成像或微流控灌注。若客户需将打印结构转移至动态灌注系统以模拟骨髓血流剪切力，Celvivo可提供配套培养与成像环境。 |
| SIEVEWELL | ⭐⭐ | 墨水的高透明度与原位比色反应依赖高质量显微成像。SIEVEWELL的自动化高通量成像模块可替代人工共聚焦扫描，实现3D支架内乳酸信号与血小板形态的批量定量分析。 |
参考文献
- Di Buduo CA, Lunghi M, Kuzmenko V, et al. Bioprinting Soft 3D Models of Hematopoiesis using Natural Silk Fibroin-Based Bioink Efficiently Supports Platelet Differentiation. Advanced Science. 2024. DOI: 10.1002/advs.202308276
- Balduini A, et al. Silk fibroin scaffolds for ex vivo platelet production. Biomaterials. 2012. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2012.06.015
- Engler AJ, et al. Matrix elasticity directs stem cell lineage specification. Cell. 2006. DOI: 10.1016/j.cell.2006.06.044
- Eto K, et al. In vitro production of functional platelets from human iPSCs. Nature. 2017. DOI: 10.1038/nature23667
- Redwan IN, et al. 3D bioprinting of hematopoietic stem cell niches. Trends in Biotechnology. 2021. DOI: 10.1016/j.tibtech.2021.03.005
转发语：丝素蛋白生物墨水把骨髓的“软环境”打印出来了，还能实时看血小板生成和代谢变化，遗传性血小板疾病的体外诊断和药筛终于有了标准化模型。
联系人：李东伟
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📥 下载原文PDF：Advanced Science 2024 Bioprinting Soft 3D Models of Hematopoiesis