清华新闻网8月28日电 药物性肝损伤是药物研发和临床用药过程中面临的重要挑战。构建能够准确模拟人体肝脏结构与功能的体外模型，对于药物肝毒性的早期识别和提高临床前药物评价的可靠性具有重要意义。人体肝脏具有高度复杂的组织结构，肝细胞与血管、胆管系统之间存在紧密的空间组织和功能耦合，共同参与营养及药物运输、代谢和胆汁排泄等过程。然而，现有体外肝脏模型通常难以同时构建稳定、可灌注的微血管和微胆管，并实现肝实质、血管和胆管之间的精准空间组织与功能耦合。

近日，清华大学机械系研究团队基于高精度投影微立体光刻（projection micro-stereolithography，PµSL）3D打印技术，开发了一种血管-胆管整合型肝脏器官芯片（vascular-biliary-incorporated liver-on-a-chip，VBL）。研究以具有超薄和高渗透性的网状管壁微管为核心，通过微结构设计、毛细力驱动细胞灌注及多细胞共培养，在体外构建了具有明确空间分区和功能耦合的肝实质-微血管-微胆管组织。

3D打印网状管壁微管构建血管-胆管整合型肝脏器官芯片及药物性肝毒性评价

研究团队设计了具有菱形微孔结构的网状管壁微管，并通过PµSL实现高精度一体化制造。网状结构不仅提供了良好的物质交换界面，还能够调节微管力学性能，使其更加接近天然肝脏管状组织。与此同时，网状结构显著改善了微管表面润湿性。利用毛细力产生的自发驱动作用，血管内皮细胞和胆管上皮细胞可在无需复杂外部驱动装置的条件下均匀进入微米尺度管腔，实现温和、高效的细胞接种，并进一步形成连续、可灌注的功能性微血管和微胆管。

功能表征结果显示，构建的微血管和微胆管均具有完整的管腔和屏障功能，并表现出不同的生理运输特征。微血管具有炎症刺激响应能力，可模拟内皮激活及免疫细胞黏附、迁移等行为；微胆管则表现出分泌素响应性水运输和极性转运功能。进一步研究表明，微血管能够选择性运输白蛋白，而微胆管能够选择性运输胆汁酸类似物，初步重现了天然肝脏血管与胆管系统差异化的物质运输功能。

在此基础上，研究团队进一步将肝细胞引入微血管-微胆管系统，构建肝细胞、血管内皮细胞和胆管上皮细胞三细胞共培养模型。动态灌流条件促进了不同细胞之间的直接接触和信号交流，使肝实质与微血管、微胆管形成更加紧密的空间和功能耦合。经过长期培养，模型表现出增强的肝脏功能，并形成类胆小管结构；白蛋白、胆汁酸和尿素等功能指标持续提升，同时呈现与血管和胆管选择性运输相对应的分区特征。

研究团队进一步利用利福平、对乙酰氨基酚和曲格列酮开展药物性肝毒性评价。结果表明，动态灌流VBL芯片具有更强的药物代谢能力，并对三种肝毒性药物表现出更高的检测敏感性。此外，该模型还能够模拟药物从血管侧进入后经历跨血管运输、肝细胞代谢并最终经胆管排泄的连续过程，为研究不同药物制剂的运输、代谢及肝胆毒性提供了新的体外平台。

该研究将高精度3D制造、微结构设计、毛细力驱动细胞灌注和多细胞动态培养相结合，实现了微血管、微胆管与肝实质的结构及功能整合，为复杂肝脏微环境的体外重构提供了新的技术路径，并为药物运输与代谢研究、药物性肝损伤评价及新药研发提供了潜在的研究平台。

相关成果以“基于3D打印网壁微管系统的血管-胆管整合型肝脏器官芯片构建”（3D-Printed Mesh-Walled Microtube System Enables a Vascular-Biliary-Incorporated Liver-on-a-Chip）为题，于8月13日发表在《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）。

清华大学机械系2020级博士研究生薛胜楠为论文第一作者，机械系庞媛副研究员和林峰教授为论文共同通讯作者。机械系宋宇助理研究员、欧阳礼亮副教授、孙伟教授等共同参与了该项研究。

研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市科技新星计划、北京市自然科学基金、高等学校学科创新引智计划等项目支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.77710

供稿：机械系

编辑：李华山

审核：王晓霞