合成管网把培养液送进厚组织内部
比利时鲁汶大学(KU Leuven)团队在 Nature Communications 报道三维软微流控平台,以可渗透水凝胶打印合成毛细管网。人多能干细胞形成的组织在管网周围生长,培养液通过管腔灌流,再经管壁扩散进入组织。
常用的管网尺寸为 2.6 × 2.6 × 1.5 mm,相邻管道间距 250 μm,平台可同时灌流最多 8 个管网。两光子打印和不易膨胀的材料,使细小管道与硬质底板形成密合连接,减少变形造成的泄漏。
空间内再填入细胞及 Matrigel,形成组织支撑与灌流通道相结合的结构。荧光示踪显示水溶性小分子可扩散穿过管壁;本文使用的管道是人工水凝胶结构,尚未铺设血管内皮。
灌流改善组织增长,活细胞比例与总数分开看
团队先以早期神经组织比较常规类器官、未灌流管网和灌流管网。灌流组细胞总数约为未灌流组的 5 倍,但流式测得活细胞比例相近,分别约为 90.9% 和 89.2%。
组织切片显示更明显差别:未灌流组织中凋亡标志占切面面积约 35.7%,灌流组织约为 5.1%;缺氧相关信号也降低。整体活细胞比例、细胞产量与局部损伤反映的是不同层面的组织状态。
神经分化早期,灌流组较快出现 PAX6 等标志,并减少多能状态标志。长期培养至第 62 天时,灌流类器官中心凋亡较少,神经和胶质细胞突起网络更明显,但皮层相关标志没有形成清晰分层。
肝组织维持代谢及分泌功能
肝实验使用 H3CX 人多能干细胞系,该细胞系可经诱导表达肝相关转录因子。团队先在二维条件下进行早期分化,再转入管网继续培养,组织逐渐融合为连续结构。
灌流肝组织表达白蛋白和 CYP3A4 等肝细胞相关蛋白,也含围绕管道分布的 KRT19 阳性细胞。与常规二维或三维分化资料比较,多项肝相关基因表达提高,同时仍存在甲胎蛋白等前体细胞特征。
第 50 天功能检测中,白蛋白生成约为 97.6 ng/h/10⁶ 个细胞,尿素约为 1.4 μg/h/10⁶ 个细胞,每项主要来自 3 次独立实验。长期功能是后续慢清除药物测量的基础。

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3 种药物分别检验清除率预测
药物测试分别加入 1 μM 奎尼丁、甲氧氯普胺或茶碱,液相色谱—串联质谱检测培养液中的药物浓度时间过程。3 种药物分别涉及 CYP3A4、CYP2D6 和 CYP1A2 代谢,茶碱在人体中的清除较慢。
团队按药物浓度下降曲线估算体外固有清除率,再根据细胞数量和人体肝脏参数进行换算,采用充分搅拌肝模型预测体内肝清除率。各曲线的调整后 R² 均超过 0.97,预测值随后与文献人体资料比较。
奎尼丁预测为 10 mL/min/kg,人体参照为 4.7 mL/min/kg;茶碱初次预测约为 0.8 mL/min/kg,参照为 0.77 mL/min/kg。更换培养液后再次加入茶碱,预测为 1.5 mL/min/kg,仍可进行第二轮测量。
甲氧氯普胺预测为 1.5 mL/min/kg,人体参照为 6.2 mL/min/kg,出现较明显低估。三种药物的结果因此需要逐项比较,茶碱的接近程度不能概括到全部底物。
可控供氧与组织空间结构各有作用
管网几何、间距和灌流可直接设定,为大体积组织提供稳定的营养与药物交换。作者讨论,均匀供氧也可能减少组织内自然梯度,与肝组织缺少明显分区及脑组织缺少分层有关。
本次肝药物实验来自单一细胞系及 3 个代谢探针,研究未采用盲法。人工管道目前提供物质交换,并没有完整重现内皮选择性屏障或血管自适应重塑;这些条件与实际清除率结果共同界定平台用途。