当干细胞遇见3D打印！Biofabrication：微流控生物打印技术成功“打印”出能响应药物的功能性肾类器官，为肾病治疗带来新希望

在全球范围内，慢性肾病（CKD）正成为日益严峻的健康威胁——据统计，其影响着约10%的人口，且在中低收入国家已跻身十大死因之列。当病情进展至终末期肾病（ESRD）时，患者往往依赖透析或肾移植维持生命，但前者仅是临时解决方案，后者则面临供体短缺和术后并发症的双重困境。在此背景下，再生医学领域的类器官技术为肾病治疗带来了新希望。

近日，一项发表于Biofabrication的研究Microfluidic bioprinting as a tool to produce hiPSCs-derived renal organoids通过微流控生物打印技术，成功构建了由人类诱导多能干细胞（hiPSCs）衍生的功能性肾类器官，为肾脏疾病建模、药物筛选及未来再生治疗奠定了重要基础。

一、核心技术：从干细胞到类器官的定向分化与生物打印

研究团队首先优化了hiPSCs向肾祖细胞的分化方案。通过时序性添加特定生长因子（如CHIR99021、noggin、FGF9等），hiPSCs被诱导分化为后肾间充质（MM）和输尿管芽（UB）祖细胞。其中，MM祖细胞表达SIX2、PAX2等关键标记，UB祖细胞则呈现GATA3、CK8等特征性表达，证实了分化的有效性。

图 1. MM类器官的生成与表征

图 2. UB类器官的生成与表征

随后，研究人员利用微流控生物打印机，将MM与UB祖细胞以1:1比例混合，制备成含明胶的核心生物墨水，并包裹于海藻酸盐外壳中，形成具有核心-壳结构的打印丝。这种打印方式不仅通过低剪切力环境保障了细胞活性（活/死染色显示24小时后细胞存活率高达90%以上），还通过可控的压力参数（核心/外壳压力均设为100 mbar）实现了丝径的精准调控（平均外径662.51±97.10 μm）。

二、类器官功能验证：结构成熟性与药物响应能力

打印后的丝状体在优化培养基中培养两周后，展现出显著的肾单位样结构形成能力：

形态与分子特征：第7天可见肾小泡结构，第14天免疫染色显示典型的肾单位分段——PODXL阳性的肾小球、LTL阳性的近端小管及GATA3阳性的集合管样结构有序排列，类似胚胎期肾脏发育的空间模式。

功能评估：通过荧光标记的白蛋白摄取实验，证实类器官近端小管具备滤过功能；进一步暴露于肾毒性药物阿霉素（2-10 μM）后，肾小球标记物PODXL、近端小管标记物LRP2及CDH1表达显著下调，而肾损伤标志物KIM1上调，表明其能真实模拟药物诱导的肾损伤反应。

自动化与标准化优势：相较于传统手工制备的类器官，生物打印技术通过精准控制细胞空间分布与微环境，显著提升了类器官的批次间一致性，避免了手工操作的变异性，为大规模药物筛选提供了可靠模型。

图 3. 生物打印MM+UB祖细胞触发类器官形成及功能研究

三、生物打印技术的创新性与应用前景

微流控生物打印的核心优势在于其“多材料共组装”能力：核心层的明胶为细胞提供了低黏度、高生物相容性的微环境，支持祖细胞自聚集与分化；外壳的海藻酸盐通过钙离子交联形成物理屏障，维持结构稳定性的同时允许营养物质扩散。这种设计不仅复现了肾脏发育中细胞-细胞、细胞-基质的相互作用，还为后续引入内皮细胞、免疫细胞等成分以构建更复杂的类器官系统预留了空间。

与传统悬浮培养相比，生物打印技术的自动化特性使其在规模化生产中更具潜力。研究显示，打印后的祖细胞在62小时内即可完成空间重排——MM细胞逐渐包裹UB细胞，模拟胚胎期肾脏的分支形态发生过程，印证了该技术在体外重现器官发育动态的能力。

小结

这项研究通过整合干细胞分化、生物材料工程与精准打印技术，成功构建了目前最接近真实肾脏结构的类器官模型。其意义不仅在于为肾病研究提供了可重复的体外平台，更在于探索了一条从“细胞-材料-结构”到功能性器官替代物的自动化制造路径。尽管距离临床应用仍有较长的转化周期，但该技术在药物毒性筛查、个性化疾病建模及组织工程领域的潜力已清晰可见。随着生物打印技术的迭代与多学科交叉融合，未来或许能真正实现“打印肾脏，重启生命”的医学愿景，为千万肾病患者带来治愈希望。（生物谷Bioon.com）

参考文献：

Formica C, Addario G, Fagiolino S, Moroni L, Mota C. Microfluidic bioprinting as a tool to produce hiPSCs-derived renal organoids. Biofabrication. 2025;17(3):10.1088/1758-5090/addb7e. Published 2025 Jun 3. doi:10.1088/1758-5090/addb7e