类器官作为一种三维体外细胞构建物，能够再现器官的关键结构和功能特征，但因缺乏细胞外基质、免疫细胞及功能性血管系统，其在模拟体内器官复杂功能方面存在局限，影响了药物反应评估的准确性。为此，研究人员结合生物材料和类器官技术，利用增材制造技术开发了多种生物制造策略，如微流控芯片上的器官技术，该技术通过微制造技术模拟人体器官的功能单元，展现出高空间分辨率、高灵敏度、高度集成等优点，成为研究领域的焦点。然而，随着类器官尺寸的增长，超过200-400微米时，营养物质和气体的扩散受限，导致细胞增殖停止和坏死核心形成，成为组织工程芯片上的器官技术面临的重大挑战之一。此外，构建具有毛细血管结构的器官系统以准确模拟真实微血管网络的功能也面临重重困难。尽管通过共培养血管内皮细胞或使用高渗透压水凝胶打印等方法可在一定程度上解决营养供应问题，但这些方法的实际应用仍受制于技术复杂性、细胞共培养难度及材料性能等问题，限制了其可扩展性和批量生产的可能性。
15VIP太阳集团官网类器官研究院院长赵冰团队在Bio-Design and Manufacturing杂志在线发表了题为Vascular network organoid-on-chip for centimeter-scale organoid cultivation的研究论文，他们利用投影微立体光刻（PμSL）3D打印技术制造了一种用于内部灌注的芯片上类器官模型，旨在解决传统类器官培养中营养供应不足的问题。PμSL技术通过高精度的紫外线投影系统和XYZ电机化阶段系统，实现了从3D计算机辅助设计（CAD）模型到复杂微结构的快速转换，具有高达0.6微米的像素控制能力和快速生产能力。在设计微流控芯片时，采用了单入口供应新鲜培养基、单出口回收用于分析的培养基、以及通过微小缝隙进行营养物质交换的设计原则，确保了营养物质的有效传递而不引起细胞污染。使用高精度3D打印系统（BMF microArch S230）和新型生物兼容树脂BIO-1，成功制备了内径80微米、壁厚20微米、间距400微米的空心通道，以及宽度小于10微米、间隔300微米的窄缝，有效促进了类器官内部的灌注，延长了类器官的生长周期并提高了模型的稳定性。
研究人员开发了一种基于3D精密打印的微血管毛细管类器官芯片，旨在解决长期培养过程中类器官因营养条件和血管化不足而导致的细胞成熟和体积增长受限问题。通过高精度3D打印技术，设计了内径80微米、壁厚20微米、间距400微米的空心“血管”，并在血管壁上打印了直径约7-10微米的小孔，以模拟营养物质的渐进分散。该芯片由五层血管网络构成，每层包含14个“血管”和7根横梁以增强结构稳定性。利用这种设计，芯片能够显著提高物质运输和液体渗透效率，模拟人体内的复杂血管网络。此外，研究团队还设计了一种灌注装置，通过以2微升/分钟的速度缓慢注入培养基，模拟体内血流的动态特性，同时确保流体通过小孔渗透并循环流动，有效模拟了微动脉和微静脉的行为。实验结果表明，使用的BIO-1树脂对类器官的生长无负面影响，证明了该材料的生物相容性。
本研究通过构建患者衍生的肺癌类器官并将其引入含有Matrigel的毛细血管类器官芯片中，成功克服了传统类器官生长受限的问题，实现了类器官的持续生长超过30天，形成了直径超过400微米、具有独特生长特性和结构特征的“厘米级肿瘤类器官”。Ki67染色显示，这类肿瘤类器官比普通肺癌类器官表现出更高的增殖活性。病理染色和免疫荧光染色结果证实，厘米级肿瘤类器官保持了与原发肿瘤相似的组织病理学和分子特征，表明其在模拟肺癌方面具有显著优势，尤其是在需要较大尺寸模型的情况下。通过这种方法培养的类器官能够避免传统培养中常见的细胞凋亡和结构解体问题，形成了紧密连接的整体结构，类似于体内具有血管结构的肿瘤。
通过比较常规肺癌类器官和肺癌厘米级肿瘤类器官对顺铂的反应，发现后者在10 μM的顺铂浓度下表现出更高的敏感性，5天内即出现显著细胞死亡，10天后细胞完全被清除，而相同浓度对常规类器官几乎无显著影响。免疫荧光成像进一步证实，相同浓度的顺铂诱导了肺癌厘米级肿瘤类器官中更多的细胞凋亡。转录组分析显示，顺铂刺激后，肺癌厘米级肿瘤类器官中有929个基因上调，1420个基因下调，尤其是细胞趋化、细胞外基质组织和DNA损伤相关通路显著激活。这些结果表明，肺癌厘米级肿瘤类器官对化疗药物的敏感性更高，这可能归因于其对细胞外基质的不同依赖性、组织结构和代谢途径的差异，以及血管化模型更好地模拟了体内血液灌注的动态特性。
为了更真实地模拟子宫内膜癌的微环境，本研究采用微流控技术和类器官芯片技术，利用患者衍生的癌细胞培养出类似子宫内膜癌组织的类器官，并通过模拟血管网络为类器官提供营养和氧气。经过长时间培养（超过15天），这些类器官逐渐形成完整实体，与体内肿瘤状态高度相似。病理染色和免疫荧光染色结果表明，这些厘米级肿瘤类器官保留了原始肿瘤的组织病理学和分子特征。药物敏感性测试显示，与传统类器官相比，这些厘米级肿瘤类器官对卡铂表现出更高的敏感性，这与临床观察更为一致。此外，该平台还支持对同一肿瘤在不同药物浓度下的长期监测，有助于更准确地评估药物疗效，为个性化治疗提供有力支持。
在流动条件下培养的人源化肾脏类器官相比于静态培养的类器官表现出更成熟的足细胞和肾小管部分，细胞极性增强，成人基因表达增加。通过HE染色和免疫荧光染色验证，这些厘米级肾脏类器官保留了与来源组织相匹配的组织学特征和特定标记物表达。为了评估顺铂的肾毒性，使用绿色荧光蛋白（GFP）标记的厘米级肾脏类器官进行长期存活和细胞增殖监测。实验结果显示，顺铂处理4天后，肾脏细胞开始出现死亡迹象，类器官解体并形成囊泡状结构，类似于顺铂引起的近端肾小管扩张。超过10天的暴露导致超过一半的细胞死亡，证明了该模型在评估药物肾毒性方面的有效性。
重组腺相关病毒载体（rAAV）基因治疗在疾病领域展现出巨大潜力，但临床应用进展缓慢。类器官虽为高度仿生模型，但细胞外基质如Matrigel形成的屏障阻碍了直接病毒感染，影响rAAV基因治疗的发展。为此，研究采用流体系统递送腺相关病毒，并评估感染效率。结果显示，与传统类器官模型相比，厘米级肿瘤类器官的灌注培养显著提高了GFP+细胞数量和荧光比率，表明血管化装置显著增强了病毒在厘米级类器官中的感染性。同时，感染后的厘米级肿瘤类器官仍保持良好增殖活性，这可能与培养基的流动性更新及AAV的短期驻留特性有关。此发现为筛选和开发更靶向、个性化的基因治疗提供了更有效的模型，有望推动基因治疗领域的发展并改善患者预后。
综上所述，本研究开发了一种稳定的3D打印类器官芯片，能够通过灌注培养基实现长时间的大规模培养。基于这一平台，所培养的“厘米级类器官”不仅展现了更大的规模和更高的组织相似度，而且支持更长的培养时间。研究发现，这些厘米级类器官对药物和病毒的敏感性与传统类器官培养技术存在显著差异，表现为更高的药物敏感性和更有效的病毒感染效率。采用血管化设计的厘米级类器官模型克服了营养渗透的限制，通过培养基的循环快速去除有害代谢废物，促进了细胞的长期存活。这一创新方法代表了类器官培养技术的重大突破，为未来作为体外药物筛选平台，特别是在个性化治疗领域的应用提供了新的可能性。
15VIP太阳集团官网类器官研究院院长赵冰教授为本文的通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金，中国国家重点研发计划，云南省重点研发计划，江西省重点研发计划，山东省自然科学基金等经费支持。
作者简介
赵冰
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赵冰，15VIP太阳集团官网类器官研究院院长，国家优青、国家重点研发计划“干细胞及转化研究”首席科学家（青年）。研究成体干细胞命运决定机制，发展类器官培育新策略。
