生物3D打印應(yīng)用 | 構(gòu)建體外肝毒性模型

​受倫理和費(fèi)用影響，使用動物來進(jìn)行毒理實(shí)驗(yàn)變得越來越困難。同時，動物所得到的結(jié)果很有可能與實(shí)際臨床試驗(yàn)有差別，因而給臨床試驗(yàn)帶來了潛在的風(fēng)險。于是，科研工作者開始嘗試在體外構(gòu)建三維細(xì)胞培養(yǎng)物——類器官。類器官通常具有相應(yīng)器官的關(guān)鍵特征，以此科研工作者就可以使用它們來進(jìn)行相應(yīng)器官的藥物毒理學(xué)試驗(yàn)，常見的如使用肝臟類器官檢測藥源性肝損傷（Drug Induced Liver Injury，DILI）。一些較為簡單的模型構(gòu)建事實(shí)上已經(jīng)使用了較長時間，但這些模型缺乏長效性（Longevity）和組織復(fù)雜度（Tissue-level Complexity），得出的結(jié)論往往不具有充分的可靠性。
 
在此背景下，Deborah G. Nguyen等人使用病人來源的肝臟細(xì)胞和非薄壁細(xì)胞以3D打印的形式構(gòu)建了無支架類器官。相較于傳統(tǒng)的偏二維模型或簡單三維模型，該類器官在4周后仍然能夠維持一定程度的ATP、白蛋白甚至是藥物介導(dǎo)的活性細(xì)胞色素P450s酶。為評估該類器官的功能性，作者選用曲伐沙星——一種因肝毒性較強(qiáng)而無法用標(biāo)準(zhǔn)臨床前模型評估肝毒性的藥物——與無明顯肝毒性藥物左氧氟沙星進(jìn)行對比。發(fā)現(xiàn)曲伐沙星在臨床濃度下（≤4 μM）的肝臟毒性與濃度呈顯著性正比關(guān)系。

       

 

圖1 置于24孔板中的肝臟類器官

 

此外，盡管有很多相關(guān)的文獻(xiàn)，但對于準(zhǔn)備進(jìn)入這一領(lǐng)域的科學(xué)工作者而言，面對各種各樣的細(xì)胞模型、種類繁多的模型構(gòu)建方法，可能會耗費(fèi)許多時間理清頭緒。面對這種情況，Xihui等人在綜述Three-dimensional liver models: state of the art and their application for hepatotoxicity evaluation一文中，詳細(xì)闡述了構(gòu)建體外三維肝臟模型的相關(guān)內(nèi)容。分為模型建立方法、細(xì)胞種類、在藥源性肝損傷（DILI）中的重要性及相關(guān)商業(yè)化情況，主要內(nèi)容如下：
 

• 模型構(gòu)建：根據(jù)輔助材料的使用與否分為有支架（主要為水凝膠、瓊脂糖等遇水形成一定支撐力的材料，其中便提到在regenHU技術(shù)和產(chǎn)品的推動下，利用細(xì)胞外基質(zhì)（extracellular matrix，ECM）作為支架材料進(jìn)行肝臟3D打印成為了非常重要的模型構(gòu)建方法）和無支架模型兩種，分別介紹了建立方法和優(yōu)缺點(diǎn)。

• 細(xì)胞種類：原代人類肝臟細(xì)胞（Primary Human hepatocytes）、干細(xì)胞分化的類肝臟細(xì)胞（stem cell derived hepatocyte like cells）、永生化肝細(xì)胞系（immortalized hepatic cell lines）等三種不同類型的肝臟細(xì)胞。

•  肝毒性研究應(yīng)用：肝毒性主要有兩個來源——藥物本身或經(jīng)由藥物代謝產(chǎn)生的產(chǎn)物。因而在本章節(jié)對直接毒性和慢性毒性均進(jìn)行了介紹。同時，作者也總結(jié)了納米藥物的肝臟毒性。

• 商業(yè)化情況：因生物3D打印的速率尚不足以滿足批量生產(chǎn)，因而作者認(rèn)為該項(xiàng)應(yīng)用仍以定制為主。通過使用病人來源的細(xì)胞，科研工作者可構(gòu)建類器官進(jìn)行個性化藥物篩選和個體化藥效評價，隨著商業(yè)醫(yī)療的逐步完善，這一市場將極具發(fā)展前景。
   

該綜述全面的內(nèi)容為正要和即將進(jìn)行類似實(shí)驗(yàn)的科研工作者提供了便利。但正如作者所言，類器官仍在多個國家遭受不同程度的文化、法規(guī)障礙，在努力爭取科研許可的同時，也應(yīng)牢記科學(xué)底線，為社會帶來正能量。

參考文獻(xiàn)：

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[1] Zhang X, Jiang T, Chen D, et al. Three-dimensional liver models: state of the art and their application for hepatotoxicity evaluation[J]. Critical Reviews in Toxicology, 2020(11):1-31.

[2] Nguyen D G, Funk J, Robbins J B, et al. Bioprinted 3D Primary Liver Tissues Allow Assessment of Organ-Level Response to Clinical Drug Induced Toxicity In Vitro[J]. Plos One, 2016, 11(7):e0158674.


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