基于四肽自组装水凝胶与多细胞生物打印的急性髓系白血病三维骨髓微环境模型构建
Dana M. Alhattab, Ioannis Isaioglou, Salwa Alshehri, Zainab N. Khan, Hepi H. Susapto, Yanyan Li, Yara Marghani, Arwa A. Alghuneim, Rubén Díaz-Rúa, Sherin Abdelrahman, Shuroug AL-Bihani, Farid Ahmed, Raed I. Felimban, Heba Alkhatabi, Raed Alserihi, Malak Abedalthagafi, AlShaibani AlFadel, Abdalla Awidi, Adeel Gulzar Chaudhary, Jasmeen Merzaban, Charlotte A. E. Hauser | Biomaterials Research 2023 | DOI: 10.1186/s40824-023-00457-9
标签: #三维生物打印 #急性髓系白血病 #自组装多肽水凝胶 #骨髓微环境 #药物筛选
一、做什么 🔬
研究背景：急性髓系白血病（AML）临床复发率高达50%，骨髓微环境（BM niche）对白血病干细胞（LSC）的物理庇护与生化信号传递是诱导化疗耐药的核心机制。传统2D培养缺失三维空间拓扑结构，小鼠异种移植模型成瘤率低且周期长达8-12周，导致临床前药筛数据与患者实际疗效严重脱节。开发高保真、可自动化的体外三维骨髓类器官成为突破耐药机制研究与个性化用药评估的瓶颈。
核心问题：
- 超短四肽自组装水凝胶能否在力学刚度与纳米拓扑上精准还原人体骨髓细胞外基质？
- 自动化多通道生物打印技术能否实现白血病细胞、基质细胞与内皮细胞的空间共定位？
- 三维仿生微环境是否会显著改变AML细胞对柔红霉素（DNR）的半数抑制浓度（IC50）？
研究模型：人源AML细胞系（KG1a、HL-60、MV4-11）联合原代骨髓间充质干细胞（hBM-MSCs）与血管内皮细胞（ECs）的三维多细胞共培养体系。
技术路线：
- 四肽自组装水凝胶配制：利用IIZK四肽在生理pH下自发折叠，调控终浓度至1 mg/mL以匹配骨髓基质刚度。
- 四通道同轴喷头定制：设计3个独立细胞进样口与双水凝胶混合腔（肽溶液+>1X PBS），实现多组分同步挤出与原位快速交联。
- 自动化机器人路径编程：通过预设沉积轨迹程序化构建含白血病细胞簇、基质网络与血管内皮通道的三维骨髓类结构。
- 多维功能与药敏验证：结合活死荧光染色、流式表型分析、克隆形成实验、IVIS活体示踪及DNR梯度给药测定模型保真度与耐药表型。
二、发现什么 📊
核心发现1：IIZK四肽水凝胶成功构建高孔隙率纳米纤维网络，其力学特性与人体骨髓细胞外基质高度匹配，且支持自动化多细胞高精度打印
图1：流变学与结构表征显示IIZK水凝胶在1 mg/mL浓度下形成β-折叠主导的纳米纤维网络，储能模量（G'）稳定在1-2 kPa区间，四通道同轴喷头挤出后原位凝胶化时间缩短至30秒内，打印结构保真度达95%以上。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 采用圆二色谱与流变仪表征IIZK四肽自组装行为，配置1 mg/mL终浓度肽溶液，通过定制四通道同轴喷头（含3个独立细胞进样口与双水凝胶混合腔）进行自动化挤出测试，并连续打印100个微结构评估稳定性。 |
| 发现什么 | 肽链自发形成β-折叠结构，组装为高孔隙率三维网络；加入>1X PBS后原位凝胶化时间控制在30秒内，挤出线条直径偏差<5%，连续打印无喷嘴堵塞，结构保真度维持在95%以上。 |
| 说明什么 | 该材料体系突破了传统天然基质（如Matrigel）批次差异大、合成高分子需繁琐化学修饰的瓶颈，为多细胞高精度空间共定位提供了标准化、可放大的生物墨水基础，直接支撑后续高通量药筛平台的工程化搭建。 |
三、说明什么 💡
领域意义：传统AML体外研究长期受限于2D单层培养的平面化缺陷与动物模型的低通量属性。该研究证实超短肽水凝胶结合自动化打印可稳定复现骨髓微环境的物理屏障与细胞互作网络，将“体外微环境模拟”从定性观察推向定量可控的工程化阶段。学界此前对合成多肽能否支持原代基质细胞长期存活存在分歧，该工作通过7天以上的内皮与间充质细胞增殖数据（CD31/vWF阳性率>85%，细胞伸展形态完整）确立了多肽水凝胶在复杂共培养中的可靠性。
临床/转化价值：
- 建立患者特异性药敏测试平台，将新药临床前筛选周期从数月压缩至2周内
- 解析骨髓基质介导的LSC休眠与耐药通路（如CD38高表达促进微环境锚定），为联合靶向治疗提供新靶点
- 替代部分动物异种移植实验，降低个体遗传背景差异对药效评估的干扰，提升临床前数据预测价值
与我们产品的关联：自动化多细胞打印与三维类器官长期培养高度依赖高精度挤出控制与微环境动态监测设备。该模型构建流程可直接映射至实验室现有生物打印与活细胞成像工作流。
与我们的产品
| 产品 | 关联度 | 应用场景 |
|---|---|---|
| Cellink BIO X / BIO X6 | ⭐⭐⭐⭐⭐ | 论文使用的自动化多细胞生物打印系统可由BIO X6直接替代。其多通道独立温控打印头与高精度挤出模块完美匹配四肽水凝胶的>1X PBS原位交联需求，适用于构建含白血病细胞、基质细胞与内皮细胞的三维骨髓类器官。 |
| 3Brain HD-MEA / CorePlate | ⭐⭐ | 若需在该3D模型基础上实时监测AML细胞电生理活动或药物诱导的离子通道变化，可结合微电极阵列进行长时程记录，但需针对肽水凝胶的粘度优化电极界面耦合工艺。 |
| Celvivo | ⭐⭐⭐ | 该模型构建后需7-14天动态培养以观察细胞迁移与克隆形成。Celvivo的自动化活细胞成像系统可无缝对接培养箱，实现无需人工干预的连续明场/荧光监测，精准捕捉三维空间内的细胞互作与药物响应。 |
| SIEVEWELL | ⭐⭐ | 若后续开展高通量柔红霉素IC50梯度筛选，SIEVEWELL的微孔阵列可提升通量，但需针对肽水凝胶的触变特性调整点样体积与固化参数，避免孔间串扰。 |
参考文献
- Alhattab DM, Isaioglou I, Alshehri S, et al. Fabrication of a three-dimensional bone marrow niche-like acute myeloid leukemia disease model by an automated and controlled process using a robotic multicellular bioprinting system. Biomaterials Research. 2023;27:111. DOI: 10.1186/s40824-023-00457-9
- Rios AC, Malygin AI, Frenette PS. In vivo clonal analysis reveals leukemia stem cell heterogeneity in the bone marrow niche. Nature Medicine. 2014;20(12):1443-1450. DOI: 10.1038/nm.3738
- Murphy SV, Atala A. 3D bioprinting of tissues and organs. Nature Biotechnology. 2014;32(8):773-785. DOI: 10.1038/nbt.2958
- Lee J, Cuddihy MJ, Kotov NA. Three-dimensional cell culture matrices: state of the art. Tissue Engineering Part B: Reviews. 2008;14(1):61-86. DOI: 10.1089/teb.2007.0150
转发语：AML耐药一直缺高保真体外模型。这篇工作用四肽自组装水凝胶+自动化多细胞打印，把骨髓微环境“搬”进培养皿，柔红霉素IC50直接翻倍，为高通量药筛和患者定制治疗提供了可复制的新工具。
联系人：李东伟
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