Lab Chip：从“肠”计议！3D生物打印肠芯片，引领药物测试新革命

在医药研发的征程中，寻找更贴合人体生理环境的实验模型一直是科研人员的攻坚方向。近期，Lab Chip的一项创新研究Rapid automated production of tubular 3D intestine-on-a-chip with diverse cell types using coaxial bioprinting通过同轴生物打印技术，成功开发出三维管状肠芯片（IOC），为小肠研究与药物测试领域带来了新的希望之光。

以往，药物研发对动物实验过度依赖，但动物和人类在生理构造与机能上存在较大差异，这使得动物实验结果在预测人体药物反应时准确性欠佳，同时还引发了诸多伦理争议。而口服药物在医疗实践中广泛应用，小肠作为药物吸收的核心器官，构建精确的体外小肠模型对于优化药物递送流程、提升研发成效至关重要。然而，传统的二维transwell模型以及现有肠芯片，在模拟小肠复杂三维结构与功能方面存在明显短板。

为此，科研人员开启了构建新型肠芯片的探索之旅。他们培养Caco-2、EA.hy926和人小肠平滑肌细胞（HSISMC），明确了细致的培养条件与细胞收集方法。同时，制备了多种生物墨水，如3%明胶、1%胶原蛋白、4%海藻酸盐等，并运用流变仪对其性能进行严格检测，以筛选出适配生物打印的材料。借助三层同轴喷嘴与3D生物打印机，打印出模拟小肠形态的管状结构，并将其稳固固定在芯片平台上，还设立二维transwell模型作为对照组。此外，利用细胞标记技术，从多个维度对模型功能展开全方位检测。

图1. IOC的制造过程

实验发现，3%明胶生物墨水在包裹细胞时效果出色，能均匀分布细胞，且在后续处理中不会对Caco-2细胞的活性产生负面影响。预交联的胶原蛋白生物墨水，经过特定温度处理后，打印性能稳定可靠，无需额外支撑材料辅助。海藻酸盐-胶原蛋白混合生物墨水，不仅具备快速凝胶的特性，而且由于胶原蛋白的添加，显著提升了细胞活力，为细胞营造了适宜长期生长的环境。

打印完成的管状结构内，多种细胞成功实现粘附与共培养。经过7天的培养，细胞活力检测结果显示细胞存活状态良好。三维共聚焦图像清晰呈现出上皮细胞、血管内皮细胞和小肠平滑肌细胞形成了层次分明的结构，成功构建出具有生理功能的三维可灌注体系，与小肠的实际生理结构高度相似。

图2. 小肠样管状结构的形成

在动态培养的IOC模型中，成功诱导出高度超100 μm的绒毛。免疫染色和qRT-PCR检测结果表明，与绒毛和隐窝功能紧密相关的LYZ和VIL1基因，在动态IOC模型中的表达水平显著高于二维transwell模型。这充分证明该模型在模拟小肠的吸收和保护功能方面优势显著。

在黏液分泌方面，动态IOC模型的MUC2表达量更高，意味着其黏液分泌功能更强。在屏障功能测试中，IOC模型对荧光染料的阻挡能力远超二维transwell模型，展现出良好的屏障完整性。在药物代谢测试中，IOC模型对乙酰氨基酚的代谢反应符合预期，进一步验证了其在药物测试中的可靠性与有效性。

图3. 体外模型的肠道功能评估

总体而言，这项研究开发的IOC模型，在结构和功能上极大程度地模拟了人体小肠，有效弥补了传统模型的不足。它为小肠研究和药物测试提供了更精准、高效的工具，有望加快药物研发进程，提高研发成功率。随着研究的持续深入，相信这一创新的肠芯片技术将在医药领域发挥更为重要的作用，为人类健康事业开辟新的篇章。（生物谷Bioon.com）

参考文献：

Song H, Hong Y, Lee H. Rapid automated production of tubular 3D intestine-on-a-chip with diverse cell types using coaxial bioprinting. Lab Chip. 2024;25(1):90-101. Published 2024 Dec 17. doi:10.1039/d4lc00731j