類(lèi)器官是一種能夠復現特定器官結構與固有功能的三維（3D）細胞培養模型。然而，現有類(lèi)器官技術(shù)存在關(guān)鍵缺陷——缺乏復雜血管網(wǎng)絡(luò )，導致氧氣及必需營(yíng)養物質(zhì)的輸送受限。結合其固有的尺寸限制與代謝物累積問(wèn)題，類(lèi)器官難以模擬真實(shí)器官的天然復雜性，從而限制其實(shí)際應用價(jià)值。

為突破這一技術(shù)瓶頸，來(lái)自南昌大學(xué)第一附屬醫院、復旦大學(xué)、摩方精密、昆明醫科大學(xué)等聯(lián)合研究團隊成功開(kāi)發(fā)出可培養厘米級腫瘤或器官源類(lèi)器官的新型培養平臺。該平臺通過(guò)摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)3D打印定制化類(lèi)器官芯片，其內部集成微米級仿生微血管網(wǎng)絡(luò )，并引入灌注裝置以模擬血流動(dòng)力學(xué)特征，在實(shí)現營(yíng)養液持續供給與全浸沒(méi)培養的同時(shí)，有效克服了類(lèi)器官因營(yíng)養獲取不足導致的尺寸受限難題。這一技術(shù)不僅使體外構建大尺度腫瘤及正常組織模型成為可能，還為藥效毒理評估與類(lèi)器官標準化生產(chǎn)提供了創(chuàng )新解決方案。相關(guān)成果以“Vascularized organoid-on-a-chip for centimeter-scale organoid cul-tivation"發(fā)表于著(zhù)名期刊《Bio-Design and Manufacturing》上。

01 基于微納3D打印的微血管類(lèi)器官芯片

為模擬生理相關(guān)性更強的毛細血管網(wǎng)絡(luò )，類(lèi)器官芯片采用中空管狀結構設計，單管道內徑80μm、壁厚20μm，相鄰通道間距400μm。每根通道周向均勻分布四組寬度＜10μm的狹縫，沿管道軸向以300μm為間隔周期性排布。裝置入口與出口直徑均為0.75mm，整體由摩方精密microArch® S230 （精度：2μm）超高精度3D打印系統搭配摩方BIO樹(shù)脂材料一體化成型制備而成。

該裝置通過(guò)中空管狀"人工血管"（圖1a）模擬血管結構主體，其管壁設計7-10μm孔徑微孔以實(shí)現生理級營(yíng)養擴散（圖1b-c）。為精準模擬交叉血管網(wǎng)絡(luò )拓撲，裝置內集成5層仿生結構單元——每層包含14條平行"人工血管"及7條橫向支撐梁（圖1a-b）。生物相容性驗證表明：BIO樹(shù)脂浸提液共培養體系對類(lèi)器官擴增無(wú)不良影響，且在濃度梯度測試中，人源肺癌（腫瘤組織）、氣道與腎臟（正常組織）來(lái)源類(lèi)器官的活性均未出現顯著(zhù)性抑制。

02 肺癌類(lèi)器官芯片模型的建立

首先，研究團隊構建了肺癌類(lèi)器官（圖2a），其傳統培養7天后直徑停滯于約200μm（圖2b）。將經(jīng)消化的肺癌類(lèi)器官懸浮于基質(zhì)膠后接種至毛細血管芯片，成功實(shí)現類(lèi)器官片段移植，并持續培養超過(guò)30天（圖2c）?；谠撃Ｐ蛯δ[瘤類(lèi)器官長(cháng)周期、大尺度培養的顯著(zhù)支持能力及其特別生長(cháng)表型，將其命名為"厘米級腫瘤類(lèi)器官"（圖2a,c）。Ki67免疫組化證實(shí)肺癌厘米級類(lèi)器官的增殖活性顯著(zhù)高于傳統類(lèi)器官（圖2d）。

免疫染色驗證厘米級類(lèi)器官完整保留源腫瘤的病理學(xué)形態(tài)與分子特征（圖2e），甲狀腺轉錄因子1（TTF-1）及NapsinA抗體共染進(jìn)一步確認其肺腺癌來(lái)源屬性（圖2f）。上述結果表明，在需要大尺寸組織的肺癌模型構建中，厘米級類(lèi)器官可作為傳統類(lèi)器官的重要補充體系，且突破常規尺寸限制實(shí)現了持續性生長(cháng)（圖2g）。在傳統培養中，上皮源性肺癌類(lèi)器官形成囊狀結構，但因營(yíng)養擴散限制導致核心區域細胞凋亡。而芯片培養體系呈現三階段生長(cháng)特征：早期形成球狀克隆并逐步擴增；中期持續生長(cháng)且無(wú)結構崩解；培養12天后類(lèi)器官間建立緊密連接，形成與含血管網(wǎng)絡(luò )的體內腫瘤高度相似的整合結構（圖2g-h）。

03 肺癌類(lèi)器官對順鉑的敏感性顯著(zhù)增強

順鉑作為不可切除性非小細胞肺癌（NSCLC）的標準化療藥物，亦廣泛用于小細胞肺癌的治療。為評估厘米級腫瘤類(lèi)器官對抗癌藥物的反應特性，本研究首先檢測傳統類(lèi)器官對順鉑的敏感性，測得肺癌類(lèi)器官半抑制濃度（IC50）為29.88μmol/L（圖3a）。隨后采用10μmol/L順鉑處理厘米級模型，藥物干預5天后即出現大規模腫瘤細胞死亡（圖3d-e）；持續暴露10天后癌細胞被清除（圖3b-c）。免疫熒光成像揭示，同等劑量順鉑在厘米級類(lèi)器官中誘導的凋亡信號強度顯著(zhù)高于傳統模型（圖3f-g），證實(shí)厘米級體系對順鉑的響應靈敏度更高。

04 子宮內膜癌類(lèi)器官構建及藥敏檢測

為實(shí)現子宮內膜微生理系統的高度模擬，本研究充分利用微流控技術(shù)在透光性能及氣體滲透性方面的優(yōu)勢，構建了一種整合血管網(wǎng)絡(luò )的子宮內膜癌體外模型（圖4a）。團隊通過(guò)類(lèi)器官芯片模擬子宮內膜血管網(wǎng)絡(luò )，有效支持球狀體類(lèi)器官的營(yíng)養供給。培養超過(guò)15天后，源自患者的子宮內膜癌細胞成功組建出具備緊密連接的組織學(xué)結構，其形態(tài)特征高度再現了體內腫瘤的實(shí)際情況（圖4b-c）；相較之下，無(wú)灌注的對照組類(lèi)器官則生長(cháng)停滯并最終解體。病理染色證實(shí)了模型保留源腫瘤的關(guān)鍵病理特征，同時(shí)通過(guò)孕酮受體（PR）、雌激素受體（ER）和細胞角蛋白7（CK7）的免疫熒光染色結果，進(jìn)一步明確了模型的子宮內膜癌特性（圖4d-e）。

在藥物反應評估方面，相較于傳統類(lèi)器官模型，本研究的厘米級類(lèi)器官在相同卡鉑濃度下表現出顯著(zhù)增強的藥物敏感性（圖4g-j）。該平臺還可實(shí)現長(cháng)期藥效監測：如圖4k所示，隨卡鉑濃度升高，厘米級類(lèi)器官細胞快速死亡。這表明子宮內膜癌厘米級類(lèi)器官芯片不僅突破腫瘤生長(cháng)尺寸限制，更精準模擬腫瘤微環(huán)境，還為藥物療效評估提供了更可靠的模型基礎。

05 腎臟類(lèi)器官培養與腎毒性檢測

本研究進(jìn)一步將毛細血管芯片技術(shù)應用于腎臟類(lèi)器官培養領(lǐng)域（圖5a-d）。H&E染色結果表明，厘米級腎臟模型保留了原始腎臟的組織學(xué)結構特征（圖5e）；通過(guò)免疫熒光檢測，該模型明確表達了遠端腎小管標志物L(fēng)RP2以及腎臟遠端小管標志物E-鈣黏蛋白（ECAD）（圖5f-g）。

為動(dòng)態(tài)評估順鉑的腎毒性效應，研究采用綠色熒光蛋白（GFP）標記厘米級腎臟類(lèi)器官以監測細胞增殖狀態(tài)（圖5h）。經(jīng)30天培養的模型中施加順鉑處理后，第4天即觀(guān)察到細胞死亡現象，類(lèi)器官結構瓦解并形成囊泡樣改變，精準模擬了順鉑暴露下近端腎小管典型的擴張病理特征（圖5h-i）；藥物暴露超過(guò)10天后，細胞死亡率＞50%（圖5j）。上述發(fā)現證實(shí)，毛細血管芯片技術(shù)可成功構建具備天然腎臟組織特性的厘米級類(lèi)器官芯片，并能精確復現順鉑誘導的腎毒性反應機制。

06 微血管提升類(lèi)器官基因遞送效率

盡管類(lèi)器官展現出高度仿生的生物學(xué)特性，其培養基質(zhì)形成的細胞外物理屏障卻阻礙了病毒顆粒的直接侵染，導致重組腺相關(guān)病毒載體（rAAV）在基因療法中的應用受限。為模擬體內血管化腫瘤對病毒感染的敏感性，本研究通過(guò)微流控系統遞送rAAV-GFP并評估感染效率（圖6a-b）。通過(guò)向厘米級類(lèi)器官緩慢注入新鮮病毒懸液實(shí)現深度滲透并與細胞充分作用，經(jīng)48小時(shí)持續感染后，基于GFP陽(yáng)性細胞比率評估轉染效率。結果顯示，厘米級類(lèi)器官的GFP陽(yáng)性細胞數量及熒光強度比率均顯著(zhù)高于傳統類(lèi)器官（圖6c-d），表明血管化裝置顯著(zhù)增強病毒侵染能力（圖6e），且轉染后類(lèi)器官仍保持良好增殖活性。該厘米級類(lèi)器官體系為開(kāi)發(fā)基于rAAV的新型基因治療策略提供了創(chuàng )新平臺，有望加速基因療法臨床轉化并提升治療效益。

總結：

本研究展示了利用摩方微納3D打印技術(shù)（microArch® S230，精度：2μm）制造用于器官芯片應用的生物芯片。該技術(shù)能夠最大限度地模擬微血管網(wǎng)絡(luò )結構，更真實(shí)地模擬血液循環(huán)過(guò)程以及關(guān)鍵營(yíng)養物質(zhì)、氧氣輸送和代謝廢物清除過(guò)程。應用微流控灌注技術(shù)構建的器官芯片，成功實(shí)現了腫瘤與腎臟類(lèi)器官的長(cháng)期體外培養周期突破30天，同時(shí)將組織尺寸擴展至厘米級。這一突破性進(jìn)展克服了傳統培養方法中類(lèi)器官尺寸受限的瓶頸，為藥物毒性測試及藥效評估建立了高仿生性研究平臺。