Advanced Science：喷墨打印3D肺泡模型

来源： EngineeringForLife

呼吸道疾病严重危害着人们的健康，迫切需要相关的人类呼吸系统的生理模型来研究疾病的发病机制、药物功效和药学。来自韩国浦项科技大学Sungjune Jung团队和Hwa-Rim Lee团队通过载细胞喷墨打印技术，打印出具有四种人类肺泡系的肺泡模型，即I型和II型肺泡细胞（NCI-H1703和NCI-H441）、肺成纤维细胞（MRC5）和肺微血管内皮细胞（HULEC- 5a)。该模型一定程度上可以替代传统病理学和药物学测试模型。相关论文“All-Inkjet-Printed 3D Alveolar Barrier Model with Physiologically Relevant Microarchitecture”发表在Advanced Science期刊上。

首先，研究团队通过逐层载细胞喷墨打印技术，打印出超薄三层肺泡模型，并对喷墨打印的工艺进行了优化，确定了每种细胞墨水的浓度，以制造具有高分辨率和准确性的3D肺泡模型。

图1 制造肺泡模型

图2 喷墨打印参数优化

接着，研究团队对喷墨打印的细胞活性进行评估，在实验过程中，没有观察到任何显着的细胞死亡，喷墨生物打印不会对肺泡细胞产生不利影响。

图3 喷墨打印后细胞活性检测

随后，研究团队评估了肺泡模型的结构特征和阻隔特性，通过组织学图像可以清楚的看到三层结构，在胶原基底膜的两侧均匀的分布着上皮和内皮细胞。通过免疫组化分析研究肺泡屏障的结构组成和功能。

图4 肺泡模型的结构和屏障特性

图5 肺泡模型的结构和功能表征

紧接着，研究团队进行了qPCR测试以量化代表性基因的水平，并用于研究肺泡模型中的细胞功能。结果证实了3D结构模型相对于2D模型具有更紧密的屏障特性。

图6 传统2D模型和 3D 喷墨打印肺泡模型之间代表性肺泡基因表达谱的比较

最后，研究团队使用H1N1甲型流感病毒（PR8 株）作用于肺泡屏障模型的空气侧，模拟呼吸道上皮层中的流感感染。结果显示，NCI-H1703和 HULEC-5a 细胞在24小时的感染率是6小时的7.7倍和1.5倍。

图7 PR8流感病毒感染和抗病毒反应分析

总之，研究团队使用高分辨率喷墨生物打印技术，在3D多层结构中重建四种基本肺泡细胞的肺泡模型。能够逐层精确控制多种细胞类型的空间排列和种群，重现肺泡复杂的微结构和形态以及肺泡的主要功能，例如屏障完整性和表面活性剂的分泌。尽管该模型为三维结构，但是为平面形状，并且无法模仿生理上吸入空气是5%的线性伸长变化。如果在未来的工作中克服这种结构和功能的问题，喷墨打印的体外3D肺泡屏障模型将有可能成为研究呼吸系统疾病和药物功效的新平台。

参考文献

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）