生物3D打印定制化胰岛特异性微环境促进干细胞源性胰岛成熟的研究

来源：EFL生物3D打印与生物制造

当前干细胞（SC）源性胰岛在体外培养时面临关键挑战：缺乏天然三维细胞外基质（ECM）微环境及血管网络，导致其成熟度不足，葡萄糖响应能力和胰岛素分泌功能显著弱于天然胰岛。传统方法中，单纯使用胶原蛋白（Col）或脱细胞胰腺基质（pdECM）无法完全模拟天然胰腺的生化复杂性，且二维培养或简单三维聚合难以重现胰岛与血管的空间互作关系。   

来自韩国浦项科技大学（POSTECH）的Jinah Jang教授团队开发了一种基于生物打印技术的定制化胰岛特异性微环境构建方法。该团队通过优化pdECM与基底膜（BM）蛋白（层粘连蛋白和IV型胶原）的组合，制备了仿生“胰岛周微环境样”（PINE）生物墨水，并利用浴内生物打印技术精确控制胰岛样细胞聚集体（HICA）与血管结构（V）的空间排布，构建了包含ECM、胰岛细胞和血管网络的三维整合模型（HICA-V）。该方法通过生化信号（ECM蛋白）与生物物理信号（几何结构）的协同作用，显著促进了SC源性胰岛的成熟，使其在葡萄糖刺激下的胰岛素分泌能力接近天然胰岛水平，并能模拟糖尿病病理条件下的药物响应。   

相关工作以“Bioprinting of bespoke islet-specific niches to promote maturation of stem cell-derived islets”为题发表在《Nature Communications》上。

研究内容
1. 胰腺脱细胞基质与胶原蛋白的蛋白质组特征分析，通过蛋白质组学分析（LC-MS/MS）和基因本体论（GO）功能富集，对比脱细胞胰腺基质（pdECM）与胶原蛋白（Col）的ECM成分差异。结果表明，pdECM含有59种特有ECM蛋白，富含胰腺特异性胶原蛋白（如VI型胶原）、糖蛋白和蛋白聚糖，而Col主要成分为I型和III型胶原；GO分析显示pdECM蛋白显著富集于代谢过程和应激响应通路，更贴近天然胰腺微环境。      

图1. 胶原与脱细胞胰腺基质的蛋白质组成及功能富集分析。   

2. 定制化胰岛微环境生物墨水的优化筛选，通过免疫荧光染色、qPCR和葡萄糖刺激胰岛素分泌（GSIS）实验，评估不同基底膜（BM）蛋白浓度（0.02-0.4 mg/mL）对干细胞源性胰岛细胞成熟的影响。结果表明，0.2 mg/mL层粘连蛋白与IV型胶原的组合（PINE生物墨水）可显著提升胰岛素（INS）和嗜铬粒蛋白A（CHGA）表达，增强钙离子（Ca²⁺）对高糖刺激的响应，胰岛素分泌量较单纯pdECM组提升2.3倍。      

图2. 生物墨水成分对胰岛细胞成熟标志物及功能的影响。   

3. 生物打印胰岛-血管网络的结构与流变学特性，利用流变仪测试生物墨水的剪切变稀和自修复性能，并通过浴内生物打印技术构建人胰岛样聚集体-血管网络（HICA-V）。结果表明，PINE生物墨水具有适宜的流变特性（剪切模量G'=10-15 kPa），可精准打印直径250-460 µm的HICA和220-356 µm的血管结构，细胞存活率超94%，且随时间推移形成紧密的细胞-ECM网络和血管芽生。      

图3. 生物打印过程的流变学评估与HICA-V结构表征。   

4. 三维结构对胰岛-血管互作功能的影响，通过免疫染色、qPCR和GSIS实验，对比随机分散组、悬浮培养组和HICA-V组的细胞连接蛋白（CX36、VE-CAD）和分泌因子（FGF、INS）表达。结果表明，HICA-V组的间隙连接蛋白和血管内皮黏附分子表达显著上调，胰岛素分泌量在高糖条件下较随机组提升3.8倍，且表现出类似天然胰岛的葡萄糖响应动力学。      

图4. 不同培养模式下胰岛-血管互作的功能验证。   

5. 糖尿病病理模型构建与药物响应模拟，通过高糖培养（30 mM葡萄糖）诱导HICA-V的 hyperglycemic状态，并评估二甲双胍（Met）与恩格列净（Empa）联合用药的效果。结果表明，高糖条件下HICA-V的炎症因子IL-6和血管黏附分子VCAM-1表达显著升高，而药物联合治疗可逆转上述变化，恢复胰岛素分泌功能，GSIS指数较未治疗组提升2.1倍，验证了模型在糖尿病研究中的应用潜力。   

图5. HICA-V在高糖环境下的病理响应及药物干预效果。   

6. 高糖环境下HICA-V的药物干预机制分析，通过免疫荧光定量和分泌因子检测，分析不同药物处理组（Met-/Empa-、Met+/Empa-、Met+/Empa+）的血管内皮功能和β细胞分泌能力。结果表明，联合用药组（Met+/Empa+）的CD31阳性血管密度和胰岛素表达量接近正常对照组，IL-6和VCAM-1基因表达水平降低60%以上，提示药物通过改善血管炎症和增强细胞间通讯恢复胰岛功能。      

图6. 抗糖尿病药物对HICA-V病理模型的治疗效果及机制验证。

研究结论
本研究开发了一种基于生物打印技术的定制化胰岛特异性微环境构建方法，通过优化脱细胞胰腺基质（pdECM）与基底膜蛋白组成的PINE生物墨水，并利用浴内打印技术构建包含胰岛样聚集体（HICA）和血管网络（V）的三维结构（HICA-V）。结果表明，该微环境可显著促进干细胞源性胰岛的成熟，其胰岛素分泌量在高糖刺激下较随机培养组提升3.8倍，并表现出与天然胰岛相似的葡萄糖响应能力。此外，HICA-V能模拟糖尿病高糖环境下的病理变化，如炎症因子IL-6和血管黏附分子VCAM-1表达升高，而二甲双胍与恩格列净联合治疗可逆转上述异常，恢复胰岛功能。本研究构建的HICA-V模型为胰岛发育机制研究、糖尿病病理模拟及药物筛选提供了新平台，有望推动干细胞疗法在糖尿病治疗中的临床转化。


文章来源：
https://doi.org/10.1038/s41467-025-56665-5