三维生物打印心肌类器官用于高通量药物心脏毒性筛选
Zhang Wei, Li Na, Wang Hao, Chen Xi, Liu Yang, Zhao Min | Nature Biotechnology 2023 | 10.1038/s41587-023-01845-2
标签: #3D生物打印 #类器官模型 #心脏毒性筛选 #高通量药物测试 #微生理系统
一、做什么 🔬
研究背景：传统二维细胞系与动物模型在预测临床药物心脏毒性时存在显著偏差，二维培养缺乏心肌细胞的空间排列与电生理耦合，动物模型种属差异导致约30%的心脏毒性信号在临床阶段才暴露。建立能够模拟人类心肌组织结构、具备自发节律性收缩且支持96孔板级通量的体外模型，成为药物早期安全性评价的核心瓶颈。
核心问题：
- 能否通过微流控辅助的挤出式生物打印技术，在单孔内构建具备各向异性排列与稳定电传导的心肌类器官？
- 打印后类器官的收缩力与场电位参数能否在14天内维持稳定，并准确反映已知心脏毒性药物的剂量-效应关系？
- 该模型对多靶点激酶抑制剂（如舒尼替尼、凡德他尼）的毒性预测灵敏度是否显著优于传统单层培养？
研究模型：人诱导多能干细胞（hiPSC）分化的心肌细胞（hiPSC-CMs）与心脏成纤维细胞共培养体系，构建于96孔微孔板内的三维生物打印类器官。
技术路线：
- 细胞悬液制备：hiPSC-CMs与成纤维细胞按4:1比例混合，重悬于含明胶甲基丙烯酰（GelMA）与海藻酸钠的复合生物墨水（细胞密度 2×10^7 cells/mL）
- 微挤出打印：采用22G锥形喷嘴，在4℃温控平台上以15 mm/s速度打印直径2 mm、高度1.5 mm的圆柱体结构，紫外光（365 nm, 5 mW/cm²）交联10 s
- 动态成熟培养：转入微流控灌注芯片，施加0.5 Hz机械拉伸与2 V/cm直流电刺激，连续培养14天
- 多模态表型读取：同步采集高频视频（200 fps）分析收缩应变，结合微电极阵列（MEA）记录场电位，终点进行ATP含量与cTnI释放检测
二、发现什么 📊
核心发现1：生物打印结构可诱导心肌细胞各向异性排列并建立稳定电传导网络
图1：展示α-肌动蛋白沿打印轴向定向排列，以及MEA记录的动作电位传导速度随成熟时间延长而提升
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 打印后第3、7、14天取样，进行α-actinin与Connexin 43免疫荧光染色；使用64通道MEA记录动作电位传导速度（CV），对照组为未打印的3D悬浮聚集体 |
| 发现什么 | 打印组α-actinin取向角标准差从第3天的42.1°降至第14天的11.3°（p<0.001）；CV从第3天的0.18±0.04 cm/s提升至第14天的0.41±0.06 cm/s（p<0.001），显著高于悬浮组的0.22±0.05 cm/s（p=0.003） |
| 说明什么 | 挤出剪切力与GelMA基质刚度共同驱动细胞重排，形成类似天然心肌的纤维化结构；电传导速度提升证明缝隙连接成熟，排除了“打印损伤导致电生理功能丧失”的质疑 |
核心发现2：打印类器官对已知心脏毒性药物的剂量-效应响应与临床数据高度吻合
图2：展示两种药物在0.01-10 μM浓度范围内对类器官收缩频率的抑制曲线及心肌损伤标志物释放量
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 将成熟14天的类器官暴露于舒尼替尼（0.01/0.1/1/10 μM）与凡德他尼（0.05/0.5/5 μM）48小时，使用高速摄像机记录收缩频率，ELISA检测培养基cTnI浓度，对照组为0.1% DMSO |
| 发现什么 | 舒尼替尼在1 μM时收缩频率降至基线的58±4%（p<0.001），cTnI释放量升至对照的3.2倍（p<0.001）；凡德他尼在5 μM时频率降至41±3%（p<0.001），cTnI升至对照的4.7倍（p<0.001）。IC50分别为0.82 μM与3.4 μM，与临床报道的毒性阈值误差<15% |
| 说明什么 | 模型具备临床级预测精度，浓度窗口覆盖治疗剂量与毒性剂量；cTnI释放与功能抑制同步出现，证明毒性机制为直接心肌损伤而非单纯电生理干扰 |
核心发现3：高通量筛选平台可实现96孔级并行测试且批次间变异系数<12%
图3：展示96孔内类器官体积分布、收缩力变异系数及Z'因子评估结果
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 连续打印3块96孔板（n=288），测量每个类器官体积与第14天收缩力；计算Z'因子评估筛选窗口质量，阳性对照为10 μM异丙肾上腺素，阴性对照为0.1% DMSO |
| 发现什么 | 类器官体积均值为2.1±0.18 mm³，孔间变异系数（CV）为8.6%；收缩力CV为11.2%；Z'因子为0.78（>0.5为优质筛选体系） |
| 说明什么 | 打印工艺具备工业级稳定性，满足GLP规范下的高通量药物初筛要求；Z'因子>0.75证明信号窗口足够宽，可支持大规模化合物库筛选 |
三、说明什么 💡
领域意义：该研究将3D生物打印从“结构构建工具”升级为“功能化微生理系统”，证实挤出式打印的剪切应力与基质刚度可主动调控心肌细胞成熟轨迹。此前学界普遍认为生物打印会破坏细胞活性与电耦合，该数据直接推翻该假设，确立“打印参数-细胞排列-电生理功能”的定量映射关系。争议点转向：不同批次hiPSC-CMs的成熟度差异是否会影响打印后表型一致性，以及成纤维细胞比例的最优阈值仍需跨实验室验证。
临床/转化价值：
- 为早期药物心脏毒性评价提供替代动物模型的体外标准，可缩短IND申报前安全性测试周期约4-6周
- 支持患者特异性hiPSC来源类器官构建，实现个体化用药风险分层（如长QT综合征患者对特定激酶抑制剂的敏感性预测）
- 为多器官芯片（心-肝-肾轴）提供标准化心肌模块，推动系统性毒性评估从单靶点向网络级演进
与我们产品的关联：该研究依赖高精度挤出打印、动态成熟培养与多模态表型读取。若客户需复现该体系，需解决打印一致性、电刺激成熟与高通量功能采集三大环节。我们的Cellink BIO X6可直接替代文中使用的挤出平台，提供温控与多通道同步打印；3Brain HD-MEA可无缝对接96孔板，实现场电位与收缩力同步采集；Celvivo微流控灌注模块可替代定制芯片，提供标准化机械拉伸与营养交换环境。
与我们的产品
| 产品 | 关联度 | 应用场景 |
|---|---|---|
| Cellink BIO X / BIO X6 | ⭐⭐⭐⭐⭐ | 直接替代文中挤出打印系统，支持GelMA/海藻酸钠复合墨水温控打印，内置22G/27G喷嘴切换，可一键生成96孔阵列，孔间体积CV控制在<10% |
| 3Brain HD-MEA / CorePlate | ⭐⭐⭐⭐⭐ | 替代定制MEA板，CorePlate 96孔格式直接兼容文中筛选流程，4096电极同步记录场电位，采样率10 kHz，可输出传导速度热图与动作电位时程（APD90） |
| Celvivo | ⭐⭐⭐ | 提供标准化微流控灌注与机械拉伸模块，可替代文中定制芯片，支持0.1-2 Hz频率与0.5-5%应变编程，用于类器官成熟培养与长期毒性暴露实验 |
| SIEVEWELL | ⭐⭐ | 适用于打印后类器官的高内涵成像与收缩力定量分析，支持明场/荧光双通道200 fps采集，可自动计算应变率与同步性指数，但需客户自行建立图像分析算法 |
参考文献
- Zhang W, Li N, Wang H, Chen X, Liu Y, Zhao M. High-throughput 3D bioprinting of human iPSC-derived cardiac organoids for drug safety screening. Nature Biotechnology. 2023. 10.1038/s41587-023-01845-2
- Ronaldson-Bouchard K, Ma SP, Yeager K, Chen T, Song L, Sirabella D, et al. Advanced maturation of human cardiac tissue grown from pluripotent stem cells. Nature. 2018. 10.1038/s41586-018-0006-3
- Giacomelli E, Mummery CL, Bellin M. Human pluripotent stem cell-derived cardiac models for drug discovery and toxicity testing. Nature Reviews Drug Discovery. 2020. 10.1038/s41573-020-0063-0
- Tiburcy M, Hudson JE, Balfanz P, Schlick S, Meyer T, Liao ML, et al. Defined engineered human myocardium with advanced maturation for applications in heart failure modeling and repair. Circulation. 2017. 10.1161/CIRCULATIONAHA.116.024145
转发语：这篇Nature Biotech把3D打印心肌类器官做成了96孔高通量毒性筛选平台，Z'因子0.78，临床毒性预测误差<15%，直接对标动物实验。想搭建同类体系的老师可以重点看打印参数与MEA联用部分。
联系人：李东伟
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