在藥物研發(fā)和疾病治療領(lǐng)域，肝臟作為藥物代謝的核心器官，其功能模擬一直是科研界關(guān)注的焦點(diǎn)。傳統(tǒng)藥物評(píng)估依賴動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床反饋，成本高、周期長(zhǎng)，而器官芯片技術(shù)的興起為體外模擬人體生理提供了新途徑。

近日，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)溫州研究所、南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院、河南省科學(xué)院等聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于高精度3D打印的仿生血管化肝臟芯片，通過(guò)模擬肝小葉的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了高效藥物誘導(dǎo)肝損傷（DILI）篩查。該技術(shù)依托摩方精密面投影微立體光（PμSL）技術(shù)構(gòu)建了微血管網(wǎng)絡(luò)，為肝臟生理研究帶來(lái)了革命性進(jìn)展。該研究以“Microperfused Biomimetic Liver-on-a-Chip for High-Throughput Hepatotoxicity Screening"為題，發(fā)表于國(guó)際期刊《Small》上。

肝臟芯片的核心挑戰(zhàn)在于如何更精確地模擬肝臟的生理環(huán)境。傳統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)僅實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的多細(xì)胞共培養(yǎng)和物質(zhì)交換，難以復(fù)現(xiàn)肝小葉的精細(xì)結(jié)構(gòu)。本研究從肝小葉的徑向肝板和血竇分布中獲得靈感，利用摩方精密的microArch® S230（精度：2 μm）打印出具有多層毛細(xì)血管網(wǎng)絡(luò)的芯片。芯片內(nèi)部包含五層結(jié)構(gòu)，每層設(shè)有14條平行毛細(xì)通道，通道直徑仿照血管設(shè)計(jì)，內(nèi)徑80 μm、外徑120 μm，并分布有梯形微孔（長(zhǎng)度約10 μm，間隔300 μm），確保營(yíng)養(yǎng)和氧氣的均勻擴(kuò)散（圖2）。

這一仿生設(shè)計(jì)通過(guò)微流體灌注系統(tǒng)維持細(xì)胞環(huán)境的穩(wěn)定。芯片安裝于定制夾具中，連接微注射泵實(shí)現(xiàn)連續(xù)灌注，模擬體內(nèi)血液流動(dòng)。實(shí)驗(yàn)顯示，在微灌注條件下，人誘導(dǎo)多能干細(xì)胞衍生的肝細(xì)胞（hiPSC-Heps）相比傳統(tǒng)2D培養(yǎng)表現(xiàn)出更優(yōu)的生理狀態(tài)和功能。hiPSC-Heps通過(guò)階段性細(xì)胞因子誘導(dǎo)分化，從定型內(nèi)胚層經(jīng)肝祖細(xì)胞成熟為肝細(xì)胞，其白蛋白（ALB）和尿素合成能力顯著提升，且基因表達(dá)水平接近原代人肝細(xì)胞（PHHs）。

細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了芯片的優(yōu)異性。hiPSC-Heps在3D芯片中培養(yǎng)7天后，活死染色顯示細(xì)胞存活率高達(dá)90%以上，而2D培養(yǎng)因接觸抑制導(dǎo)致大量死亡。免疫熒光染色表明，3D培養(yǎng)的細(xì)胞高表達(dá)HNF4A、PCNA等增殖標(biāo)記，以及ALB和CYP3A4等肝功能關(guān)鍵蛋白。功能上，3D培養(yǎng)細(xì)胞的ALB分泌穩(wěn)定，尿素合成持續(xù)增長(zhǎng)，且糖原儲(chǔ)存和吲哚菁綠（ICG）轉(zhuǎn)運(yùn)能力顯著優(yōu)于2D對(duì)照組。這些結(jié)果凸顯了3D微環(huán)境在促進(jìn)細(xì)胞極性和功能成熟中的作用（圖4）。

為模擬肝臟的復(fù)雜微環(huán)境，研究還構(gòu)建了hiPSC-Heps、肝星狀細(xì)胞（LX-2）和人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞（HUVECs）的共培養(yǎng)系統(tǒng)。HUVECs自組裝形成血管網(wǎng)絡(luò)，與肝細(xì)胞交互作用，仿照Disse空間結(jié)構(gòu)。共培養(yǎng)條件下，肝細(xì)胞的ALB和尿素合成能力進(jìn)一步提升，且藥物代謝相關(guān)基因表達(dá)上調(diào)，證實(shí)了多細(xì)胞協(xié)同對(duì)肝功能的增強(qiáng)效應(yīng)（圖5）。

在應(yīng)用層面，研究團(tuán)隊(duì)集成濃度梯度芯片與肝臟芯片，建立了高通量DILI篩查平臺(tái)。濃度梯度芯片通過(guò)五通道設(shè)計(jì)生成0-40 mM的對(duì)乙酰氨基酚（APAP）梯度，用于模擬急性和慢性肝損傷。結(jié)果顯示，3D灌注培養(yǎng)系統(tǒng)對(duì)APAP毒性更敏感，在20 mM以上濃度時(shí)細(xì)胞死亡率超過(guò)80%，且谷胱甘肽（GSH）水平下降，ALT和AST指標(biāo)升高。慢性毒性實(shí)驗(yàn)中，低濃度APAP長(zhǎng)期暴露導(dǎo)致細(xì)胞活性逐漸喪失，證明該平臺(tái)能有效預(yù)測(cè)藥物毒性的時(shí)間依賴性（圖6）。

總結(jié)：這項(xiàng)研究通過(guò)摩方精密微納3D打印技術(shù)打造的仿生血管化肝臟芯片，不僅高度模擬了肝臟生理結(jié)構(gòu)，還提升了細(xì)胞功能和藥物篩查效率。未來(lái)，通過(guò)內(nèi)皮化血管網(wǎng)絡(luò)和空間分區(qū)設(shè)計(jì)，該芯片有望發(fā)展為肝衰竭模型，推動(dòng)肝臟疾病機(jī)制研究和藥物開(kāi)發(fā)。這一創(chuàng)新平臺(tái)為藥物毒性評(píng)估提供了高效、可靠的體外工具，展現(xiàn)了器官芯片技術(shù)在精準(zhǔn)醫(yī)療中的廣闊前景。