Advanced Science：噴墨打印3D肺泡模型

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(jī)制、藥物功效和藥學(xué)。來自韓國浦項(xiàng)科技大學(xué)Sungjune Jung團(tuán)隊(duì)和Hwa-Rim Lee團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)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(jìn)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(tuán)隊(duì)對噴墨打印的細(xì)胞活性進(jìn)行評(píng)估，在實(shí)驗(yàn)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(huì)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(tuán)隊(duì)評(píng)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(tuán)隊(duì)進(jìn)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(shí)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(tuán)隊(duì)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(shí)的感染率是6小時(shí)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(tuán)隊(duì)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(tái)。

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）