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生物3D打印应用 | 构建体外肝毒性模型

Date:2021/5/27 15:53:49




受伦理和费用影响,使用动物来进行毒理实验变得越来越困难。同时,动物所得到的结果很有可能与实际临床试验有差别,因而给临床试验带来了潜在的风险。于是,科研工作者开始尝试在体外构建三维细胞培养物——类器官。类器官通常具有相应器官的关键特征,以此科研工作者就可以使用它们来进行相应器官的药物毒理学试验,常见的如使用肝脏类器官检测药源性肝损伤(Drug Induced Liver Injury,DILI)。一些较为简单的模型构建事实上已经使用了较长时间,但这些模型缺乏长效性(Longevity)和组织复杂度(Tissue-level Complexity),得出的结论往往不具有充分的可靠性。

 
在此背景下,Deborah G. Nguyen等人使用病人来源的肝脏细胞和非薄壁细胞以3D打印的形式构建了无支架类器官。相较于传统的偏二维模型或简单三维模型,该类器官在4周后仍然能够维持一定程度的ATP、白蛋白甚至是药物介导的活性细胞色素P450s酶。为评估该类器官的功能性,作者选用曲伐沙星——一种因肝毒性较强而无法用标准临床前模型评估肝毒性的药物——与无明显肝毒性药物左氧氟沙星进行对比。发现曲伐沙星在临床浓度下(≤4 μM)的肝脏毒性与浓度呈显著性正比关系。



图1 置于24孔板中的肝脏类器官






此外,尽管有很多相关的文献,但对于准备进入这一领域的科学工作者而言,面对各种各样的细胞模型、种类繁多的模型构建方法,可能会耗费许多时间理清头绪。面对这种情况,Xihui等人在综述Three-dimensional liver models: state of the art and their application for hepatotoxicity evaluation一文中,详细阐述了构建体外三维肝脏模型的相关内容。分为模型建立方法、细胞种类、在药源性肝损伤(DILI)中的重要性及相关商业化情况,主要内容如下:


1. 模型构建:根据辅助材料的使用与否分为有支架(主要为水凝胶、琼脂糖等遇水形成一定支撑力的材料,其中便提到在regenHU技术和产品的推动下,利用细胞外基质(extracellular matrix,ECM)作为支架材料进行肝脏3D打印成为了非常重要的模型构建方法)和无支架模型两种,分别介绍了建立方法和优缺点。



2. 细胞种类:原代人类肝脏细胞(Primary Human hepatocytes)、干细胞分化的类肝脏细胞(stem cell derived hepatocyte like cells)、永生化肝细胞系(immortalized hepatic cell lines)等三种不同类型的肝脏细胞。



3. 肝毒性研究应用:肝毒性主要有两个来源——药物本身或经由药物代谢产生的产物。因而在本章节对直接毒性和慢性毒性均进行了介绍。同时,作者也总结了纳米药物的肝脏毒性。



4. 商业化情况:因生物3D打印的速率尚不足以满足批量生产,因而作者认为该项应用仍以定制为主。通过使用病人来源的细胞,科研工作者可构建类器官进行个性化药物筛选和个体化药效评价,随着商业医疗的逐步完善,这一市场将极具发展前景。




该综述全面的内容为正要和即将进行类似实验的科研工作者提供了便利。但正如作者所言,类器官仍在多个国家遭受不同程度的文化、法规障碍,在努力争取科研许可的同时,也应牢记科学底线,为社会带来正能量。





参考文献:





[1] Zhang X, Jiang T, Chen D, et al. Three-dimensional liver models: state of the art and their application for hepatotoxicity evaluation[J]. Critical Reviews in Toxicology, 2020(11):1-31.

[2] Nguyen D G, Funk J, Robbins J B, et al. Bioprinted 3D Primary Liver Tissues Allow Assessment of Organ-Level Response to Clinical Drug Induced Toxicity In Vitro[J]. Plos One, 2016, 11(7):e0158674.


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