在藥物研發(fā)和疾病治療領域，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注的焦點。傳統(tǒng)藥物評估依賴動物實驗和臨床反饋，成本高、周期長，而器官芯片技術的興起為體外模擬人體生理提供了新途徑。

近日，中國科學院大學溫州研究所、南京大學醫(yī)學院、河南省科學院等聯(lián)合研究團隊提出了一種基于高精度3D打印的仿生血管化肝臟芯片，通過模擬肝小葉的復雜結構，實現(xiàn)了高效藥物誘導肝損傷（DILI）篩查。該技術依托摩方精密面投影微立體光（PμSL）技術構建了微血管網(wǎng)絡，為肝臟生理研究帶來了革命性進展。該研究以“Microperfused Biomimetic Liver-on-a-Chip for High-Throughput Hepatotoxicity Screening"為題，發(fā)表于國際期刊《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)芯片設計僅實現(xiàn)簡單的多細胞共培養(yǎng)和物質交換，難以復現(xiàn)肝小葉的精細結構。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血管網(wǎng)絡的芯片。芯片內部包含五層結構，每層設有14條平行毛細通道，通道直徑仿照血管設計，內徑80 μm、外徑120 μm，并分布有梯形微孔（長度約10 μm，間隔300 μm），確保營養(yǎng)和氧氣的均勻擴散（圖2）。

這一仿生設計通過微流體灌注系統(tǒng)維持細胞環(huán)境的穩(wěn)定。芯片安裝于定制夾具中，連接微注射泵實現(xiàn)連續(xù)灌注，模擬體內血液流動。實驗顯示，在微灌注條件下，人誘導多能干細胞衍生的肝細胞（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通過階段性細胞因子誘導分化，從定型內胚層經(jīng)肝祖細胞成熟為肝細胞，其白蛋白（ALB）和尿素合成能力顯著提升，且基因表達水平接近原代人肝細胞（PHHs）。

細胞培養(yǎng)實驗進一步驗證了芯片的優(yōu)異性。hiPSC-Heps在3D芯片中培養(yǎng)7天后，活死染色顯示細胞存活率高達90%以上，而2D培養(yǎng)因接觸抑制導致大量死亡。免疫熒光染色表明，3D培養(yǎng)的細胞高表達HNF4A、PCNA等增殖標記，以及ALB和CYP3A4等肝功能關鍵蛋白。功能上，3D培養(yǎng)細胞的ALB分泌穩(wěn)定，尿素合成持續(xù)增長，且糖原儲存和吲哚菁綠（ICG）轉運能力顯著優(yōu)于2D對照組。這些結果凸顯了3D微環(huán)境在促進細胞極性和功能成熟中的作用（圖4）。

為模擬肝臟的復雜微環(huán)境，研究還構建了hiPSC-Heps、肝星狀細胞（LX-2）和人臍靜脈內皮細胞（HUVECs）的共培養(yǎng)系統(tǒng)。HUVECs自組裝形成血管網(wǎng)絡，與肝細胞交互作用，仿照Disse空間結構。共培養(yǎng)條件下，肝細胞的ALB和尿素合成能力進一步提升，且藥物代謝相關基因表達上調，證實了多細胞協(xié)同對肝功能的增強效應（圖5）。

在應用層面，研究團隊集成濃度梯度芯片與肝臟芯片，建立了高通量DILI篩查平臺。濃度梯度芯片通過五通道設計生成0-40 mM的對乙酰氨基酚（APAP）梯度，用于模擬急性和慢性肝損傷。結果顯示，3D灌注培養(yǎng)系統(tǒng)對APAP毒性更敏感，在20 mM以上濃度時細胞死亡率超過80%，且谷胱甘肽（GSH）水平下降，ALT和AST指標升高。慢性毒性實驗中，低濃度APAP長期暴露導致細胞活性逐漸喪失，證明該平臺能有效預測藥物毒性的時間依賴性（圖6）。

總結：這項研究通過摩方精密微納3D打印技術打造的仿生血管化肝臟芯片，不僅高度模擬了肝臟生理結構，還提升了細胞功能和藥物篩查效率。未來，通過內皮化血管網(wǎng)絡和空間分區(qū)設計，該芯片有望發(fā)展為肝衰竭模型，推動肝臟疾病機制研究和藥物開發(fā)。這一創(chuàng)新平臺為藥物毒性評估提供了高效、可靠的體外工具，展現(xiàn)了器官芯片技術在精準醫(yī)療中的廣闊前景。