综述 | 郑州大学《Med. Res. Rev.》用于工程类器官和器官芯片的生物3D打印:发展和应用
OTC2026论坛深度聚焦类器官与疾病建模、新药发现/研发、3D细胞培养、类器官培养及质控。OTC2026合作热线：王晨180 1628 8769文章来源：绿钥学术
郑州大学第一附属医院韩新巍教授、刘灶渠团队在《Medicinal Research Reviews》期刊发表文章“3D Bioprinting for Engineering Organoids and Organ-on-a-Chip: Developments and Applications”,类器官是由干细胞自组装形成的由器官特异性细胞类型组成的 3D 结构。类器官具有在体外模拟人体器官生长发育和各种疾病状态的能力，为器官发育研究、疾病建模、药物筛选和个性化医疗提供了一种便捷的方法。
器官芯片（OOC）是一个高通量体外建模平台，结合了“类器官”和“微流控芯片”两种技术。通过将源自人体的细胞与合成生理相关的培养环境相结合，器官芯片可以准确模拟人体健康状况和复杂疾病过程，不仅有利于模拟人体生理和病理生理学的关键过程，而且可以通过微环境的精确调节，准确模拟多组织串扰并减少异质性。
尽管类器官和器官芯片在基础癌症研究和临床应用中显示出巨大的潜力，但仍存在一些具有挑战性的瓶颈和难点有待解决，无法完全模拟体内微环境，血管生成不足，类器官的自组织大小与正常器官中不同，空间排序不够精确。与其他细胞类型的共培养系统尚未到位。生物3D打印可以克服类器官构建的困难并产生复杂、多细胞、可重复的结构，因此这种技术已被用于克服一些缺点。
一、生物3D打印在类器官和器官芯片构建中的优势
目前，生物3D打印主要有以下四种技术类型：1）喷墨生物打印（图1，a）：通过高通量、非接触式的方式，逐滴构建组织模型。它的优点是成本低、细胞活性高。2）激光辅助生物打印（图1，b）：这种方法以其高精度和细胞活性而著称，尽管设备成本较高。3）挤出生物打印（图1，c）：以其操作简单、成本低廉而受到广泛应用。它通过持续的力将生物墨水挤出，形成连续的结构。4）立体光刻生物打印（图1，d）：以其快速的打印速度和高细胞存活率而受到关注。
图1生物3D打印技术的主要类型
1、生物3D打印技术的第一个优势能够精确模拟肿瘤微环境
通过3D打印模拟肿瘤微环境中的细胞外基质（ECM）蛋白结构，有证据表明癌症ECM 促进肿瘤生长，从而识别和测试新型抗癌治疗策略。脂肪细胞、癌症相关成纤维细胞（CAFs）等基质细胞在肿瘤微环境中发挥重要作用，生物3D打印技术可创建共培养模型，研究这些细胞与肿瘤细胞之间的相互作用，为构建3D培养平台提供基础（图2）。
图2生物3D打印肿瘤微环境的构建和表征
2、生物3D打印技术的第二个优势能够模拟组织模型血管形成
血管执行关键的生物功能，包括营养物质和气体的交换、代谢废物的消除和体内平衡的维持。血管化对于获取在组织工程和再生医学中具有生理相关性的组织和器官替代品至关重要。生物3D打印技术通过牺牲生物打印和同轴生物打印等方法，可以构建具有血管网络的组织模型。
3、生物3D打印技术的第三个优势能够实现器官规模的组织工程
组织工程开发必须克服人体组织和器官大规模生物制造的挑战。生物3D打印技术可以将扩张、支化和可渗透的血管网络整合到组织中，将组织生物制造的范围扩展到三个维度，扩大了组织工程开发的可能性。
4、生物3D打印技术的第四个优势能够实现共培养构建体的制造
在生理环境中，天然组织通常由两种或更多种细胞类型的多细胞系统组成。这些细胞相互作用以增强存活和增殖。此外，它们还产生生长因子和蛋白质以促进分化并执行其他重要的生物学功能。生物3D打印共培养模型为复制天然组织结构和细胞相互作用提供了机会，为研究提供新的工具。
二、3D 打印类器官的不同用途
1、3D 打印肿瘤类器官
源自肿瘤组织的器官组织称为类肿瘤。在其不同发育阶段诱导癌基因表达或癌基因功能丧失可导致肿瘤类器官的形成。这可用于药物筛选、免疫治疗试验、生物样本库、研究肿瘤干细胞治疗耐药性和其他肿瘤机制。在肿瘤研究领域，3D打印肿瘤类器官的应用尤为突出。它不仅能够模拟肿瘤的生长和转移过程，还能帮助研究人员深入理解肿瘤微环境中的复杂细胞相互作用。
2、3D 打印非肿瘤类器官
除了肿瘤研究，3D打印类器官还在其他医学领域展现出广泛的应用前景。在呼吸系统疾病研究中，3D打印肺类器官能够模拟流感病毒感染和肺纤维化等病理过程。这种模拟为研究人员提供了一个深入探讨疾病机制和测试新疗法的平台。
三、3D 打印在器官芯片上的潜力
1、器官芯片中的生物3D打印
器官芯片的概念在2010年由Huh等人首次提出，作为一种潜在的药物发现和开发模型。他们通过在PDMS中制造微通道，并引入肺上皮细胞和微血管内皮细胞，模拟了人肺的肺泡-毛细血管界面。
2、生物3D打印在器官芯片中的应用
构建具有复杂结构的心脏组织和器官模型是科学家们的热门研究课题。Zhang 等人将内皮细胞封装在生物打印的微纤维网格中，引导向外围迁移以产生内皮细胞的汇合层，随后将它们整合到具有定制设计的微流体灌注生物反应器中。开发的内皮化心肌芯片平台可以创建更对齐的心肌，并具有同步收缩的能力，有助于筛选药物化合物的潜在心血管毒性。
小肠在营养物质和药物的选择性吸收中发挥重要作用，并通过其上皮屏障形成主要防御线。器官芯片技术有效地复制了人体肠道微环境，为了解肠道屏障的吸收过程和完整性提供了有价值的信息。Langerak 等人设计了一种生物相容性 3D 打印微流体设备，使用惰性聚乳酸 （PLA） 代替常用的 PDMS 微加工。这种设计导致所有细胞的剪切应力更加均匀，从而进一步促进细胞分化。
四、生物3D打印模型的创新应用
1、降低药物研发损耗率率：传统药物发现过程面临着从动物或 2D 细胞模型数据难以准确外推到人体的问题，导致临床试验中候选药物的淘汰率居高不下。生物3D打印技术通过构建更接近人体生理环境的模型，帮助提高药物研发的成功率，减少无效药物进入临床试验阶段的情况。例如，Xie 等人利用含 HepaRG 细胞的生物墨水，通过生物3D打印技术成功构建了肝脏蠕虫模型，该模型能有效延长实验小鼠的存活时间，为个性化治疗药物疗效的研究提供了有力支持。
2、提高毒性检测的预测性：相较于传统的单层细胞培养，生物3D打印模型能够更准确地模拟组织与器官的复杂结构和功能，从而在药物毒性测试中展现出更高的生物仿真度。这使得生物3D打印模型在预测药物对器官的潜在毒性方面具有显著优势，可作为体外毒性测试的可靠工具，有效减少对动物实验的依赖（图3）。
图3生物3D打印模型在药物毒性筛选中的应用
3、支持高通量筛选（HTS）：当前药物发现过程往往依赖于2D 细胞模型和动物模型，然而这些模型在模拟人体组织形态和功能方面存在局限性，难以满足高通量筛选的需求。生物3D打印与 HTS 技术的结合为这一问题提供了新的解决方案，通过创新的生物打印技术和细胞排斥表面的应用，实现了在标准的 384 孔和 1536 孔板中高效生产类器官。
4、监测组织特异性生理药物反应：创建理想的体外癌症模型需要兼顾肿瘤微环境的复杂性和患者的遗传特征。与传统的 2D 细胞系培养相比，3D 生物打印的类器官能够更准确地模拟体内器官的结构和功能，为药物筛选提供了更具代表性的模型，有助于提高临床试验的成功率。
5、药物代谢评估：在药物研发过程中，准确评估药物的药代动力学（PK）参数至关重要。3D 细胞模型因其在重现体内组织方面的进步而受到关注，但仍然难以完全模拟结构间的气体和能量交换以及细胞与体液间的动态交换。3D 生物打印模型与微流控技术的结合，为解决这一问题提供了可能，能够更好地满足科学家对药物吸收、分布、代谢和排泄（ADME）研究的需求，为药物发现和筛选提供更先进的平台。
6、替代动物实验：尽管动物模型在转化癌症研究中发挥着重要作用，但其在遗传、细胞和免疫特征方面与人类存在显著差异，导致许多在动物模型中表现出良好疗效的药物候选物在临床开发阶段失败。3D 生物打印技术的应用为减少动物模型的使用带来了希望，通过构建高度仿真的生物模型，如 Zhang 等人结合 3D 生物打印、原位微计算机断层扫描监测和循环机械加载形成的新型培养系统，成功打印出功能性的成骨细胞类器官，为骨病理生理学研究和药物筛选提供了理想条件。
7、耐药性癌症模型构建：耐药性癌症细胞具有复杂的耐药机制，研究其背后的病理生理原因以及治疗方法对癌症治疗具有重要意义。Hong 和 Song 利用 3D 细胞打印技术成功构建了体外耐药性肿瘤模型，该模型显示 ABCG2 转运蛋白和 GRP-78 螯合蛋白的表达显著增加，EC50 值上升，化疗耐药性增强，为癌症研究和治疗提供了新的思路。
8、药物递送：治疗性药物递送是生物材料的重要应用和发展方向之一。近年来，科学家们开始关注生物打印在这一领域的潜力。Grottkau 等人通过精确的液滴递送技术，将 FITC-右旋糖酐作为原型药物递送剂，实现了对药物释放的时空调控。此外，3D 生物打印技术在治疗骨相关疾病方面也取得了显著进展，其设计的生物支架能够满足个性化剂量设计、靶向药物递送以及精确控制药物剂量和释放时间等需求，为骨组织修复和疾病治疗提供了新的策略和方法。
9、确定最佳治疗方案：为了更好地满足精准医疗的需求，3D 生物打印技术在确定最佳治疗方案方面也展现出了巨大潜力。Organovo 公司开发的生物打印机能够实现对 3D 细胞培养的精确控制，减少操作过程中的干扰因素，提高生物打印组织的生物学一致性和可靠性，从而为个性化药物研发提供有力支持（图4）。
图4生物3D打印技术的应用
五、总结
本文全面综述了3D生物打印技术在构建类器官和器官芯片中的应用和发展，介绍了3D生物打印技术的基本原理和四种主要类型，阐述了其在模拟肿瘤微环境、组织血管化、器官尺度组织工程和共培养构建等方面的优势，并详细讨论了3D打印类器官和器官芯片在药物发现、药物筛选和精准治疗中的应用，最后探讨了3D生物打印面临的生物伦理和法律问题以及新型生物材料研发等挑战，指出该技术具有巨大的发展潜力，未来需在技术创新和商业化方面继续努力以实现更广泛的应用。
原文链接：https://doi.org/10.1002/med.22121
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