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              Advanced Science:噴墨打印3D肺泡模型

              牙科生物醫(yī)療
              2021
              07/26
              14:17
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              本帖最后由 小軟熊 于 2021-7-26 14:17 編輯

              來源: EngineeringForLife

              呼吸道疾病嚴(yán)重危害著人們的健康,迫切需要相關(guān)的人類呼吸系統(tǒng)的生理模型來研究疾病的發(fā)病機制、藥物功效和藥學(xué)。來自韓國浦項科技大學(xué)Sungjune Jung團隊和Hwa-Rim Lee團隊通過載細(xì)胞噴墨打印技術(shù),打印出具有四種人類肺泡系的肺泡模型,即I型和II型肺泡細(xì)胞(NCI-H1703和NCI-H441)、肺成纖維細(xì)胞(MRC5)和肺微血管內(nèi)皮細(xì)胞(HULEC- 5a)。該模型一定程度上可以替代傳統(tǒng)病理學(xué)和藥物學(xué)測試模型。相關(guān)論文“All-Inkjet-Printed 3D Alveolar Barrier Model with Physiologically Relevant Microarchitecture”發(fā)表在Advanced Science期刊上。

              首先,研究團隊通過逐層載細(xì)胞噴墨打印技術(shù),打印出超薄三層肺泡模型,并對噴墨打印的工藝進行了優(yōu)化,確定了每種細(xì)胞墨水的濃度,以制造具有高分辨率和準(zhǔn)確性的3D肺泡模型。
              圖1 制造肺泡模型

              圖2 噴墨打印參數(shù)優(yōu)化

              接著,研究團隊對噴墨打印的細(xì)胞活性進行評估,在實驗過程中,沒有觀察到任何顯著的細(xì)胞死亡,噴墨生物打印不會對肺泡細(xì)胞產(chǎn)生不利影響。

              圖3 噴墨打印后細(xì)胞活性檢測

              隨后,研究團隊評估了肺泡模型的結(jié)構(gòu)特征和阻隔特性,通過組織學(xué)圖像可以清楚的看到三層結(jié)構(gòu),在膠原基底膜的兩側(cè)均勻的分布著上皮和內(nèi)皮細(xì)胞。通過免疫組化分析研究肺泡屏障的結(jié)構(gòu)組成和功能。

              圖4 肺泡模型的結(jié)構(gòu)和屏障特性

              圖5 肺泡模型的結(jié)構(gòu)和功能表征

              緊接著,研究團隊進行了qPCR測試以量化代表性基因的水平,并用于研究肺泡模型中的細(xì)胞功能。結(jié)果證實了3D結(jié)構(gòu)模型相對于2D模型具有更緊密的屏障特性。

              圖6 傳統(tǒng)2D模型和 3D 噴墨打印肺泡模型之間代表性肺泡基因表達(dá)譜的比較

              最后,研究團隊使用H1N1甲型流感病毒(PR8 株)作用于肺泡屏障模型的空氣側(cè),模擬呼吸道上皮層中的流感感染。結(jié)果顯示,NCI-H1703和 HULEC-5a 細(xì)胞在24小時的感染率是6小時的7.7倍和1.5倍。


              圖7 PR8流感病毒感染和抗病毒反應(yīng)分析



              總之,研究團隊使用高分辨率噴墨生物打印技術(shù),在3D多層結(jié)構(gòu)中重建四種基本肺泡細(xì)胞的肺泡模型。能夠逐層精確控制多種細(xì)胞類型的空間排列和種群,重現(xiàn)肺泡復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)和形態(tài)以及肺泡的主要功能,例如屏障完整性和表面活性劑的分泌。盡管該模型為三維結(jié)構(gòu),但是為平面形狀,并且無法模仿生理上吸入空氣是5%的線性伸長變化。如果在未來的工作中克服這種結(jié)構(gòu)和功能的問題,噴墨打印的體外3D肺泡屏障模型將有可能成為研究呼吸系統(tǒng)疾病和藥物功效的新平臺。

              參考文獻(xiàn)

              Kang D, Park JA, Kim W, Kim S, Lee HR, Kim WJ, Yoo JY, Jung S. All-Inkjet-Printed 3D Alveolar Barrier Model with Physiologically Relevant Microarchitecture. doi:10.1002/advs.202004990(https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34026463


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