動脈粥樣硬化和中風(fēng)等腦血管疾病仍然是全球發(fā)病率和死亡率的主要原因。這些疾病的一個共同特征是血管狹窄，即血管變窄，這會擾亂正常的血流并導(dǎo)致血管壁的慢性炎癥。血管內(nèi)皮細胞在感知血流剪切應(yīng)力并通過表達促炎分子來應(yīng)對紊亂的血流動力學(xué)方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。然而，由于生物系統(tǒng)的復(fù)雜性和多變性，在體內(nèi)研究這一現(xiàn)象具有挑戰(zhàn)性。

傳統(tǒng)的體外模型，包括靜態(tài)培養(yǎng)和微流體裝置，通常無法復(fù)制人類腦血管環(huán)境的結(jié)構(gòu)、機械和生物復(fù)雜性。這凸顯了我們需要一個更具生理相關(guān)性的模型來研究異常流動模式如何導(dǎo)致內(nèi)皮功能障礙和炎癥。

為了彌補這一關(guān)鍵的研究空白，由釜山國立大學(xué)的Byoung Soo Kim教授和Min-Ju Choi研究員領(lǐng)導(dǎo)的合作團隊，與浦項科技大學(xué)（POSTECH）的Dong-Woo Cho教授和Wonbin Park博士共同開發(fā)了一種3D生物打印的狹窄腦血管體外模型。他們的研究成果于2025年6月24日在線發(fā)表在《先進功能材料》雜志上。

“我們采用了一種新型嵌入式同軸生物打印技術(shù)，快速制造出可控制管腔狹窄的可灌注血管導(dǎo)管，”Kim教授解釋說。“我們的生物墨水是由豬主動脈衍生的脫細胞細胞外基質(zhì) (dECM)、膠原蛋白和藻酸鹽混合而成，既具有機械強度，又能提供必要的生物學(xué)信息，以支持內(nèi)皮細胞的附著和功能。”

生物打印血管內(nèi)包裹了人類內(nèi)皮細胞，包括臍靜脈內(nèi)皮細胞 (HUVEC) 和腦微血管細胞 (HBMEC)，并暴露于模擬正常和狹窄血管的流動條件下。該模型成功構(gòu)建了體內(nèi)血流條件，并模擬了與腦血管疾病相關(guān)的狹窄幾何形狀。

計算流體動力學(xué)模擬和示蹤珠實驗證實，狹窄區(qū)域產(chǎn)生了紊亂的流動模式，這與動脈粥樣硬化血管的典型特征相似。內(nèi)皮化血管呈現(xiàn)連續(xù)覆蓋，并表達所有連接蛋白，包括CD31、VE-鈣粘蛋白和ZO-1。這些血管還通過選擇性通透性維持了屏障的完整性。

值得注意的是，在流動紊亂的條件下，炎癥標(biāo)志物顯著上調(diào)，這是成熟內(nèi)皮屏障的標(biāo)志。

Kim 教授說：“這種 3D 生物打印技術(shù)通過實現(xiàn)解剖學(xué)上精確且生理相關(guān)的血管，標(biāo)志著腦血管疾病建模的重大進步。”

該模型采用基于增強型ECM的生物墨水和同軸生物打印技術(shù)，復(fù)制了狹窄血管的幾何形狀和流動動力學(xué)，為研究血流誘導(dǎo)的內(nèi)皮炎癥提供了一個逼真的平臺。它與多種內(nèi)皮細胞類型的兼容性拓寬了其在疾病建模和個性化醫(yī)療中的應(yīng)用。通過彌合簡單的體外系統(tǒng)與復(fù)雜的體內(nèi)模型之間的差距，該平臺還減少了對動物試驗的依賴，并增強了藥物篩選和毒性評估。

未來的改進，例如整合腦特異性ECM、共培養(yǎng)血管支持細胞以及使用患者來源的細胞，可以進一步提高生理準(zhǔn)確性和患者特異性建模。與器官芯片平臺和AI驅(qū)動分析的整合，還可以實現(xiàn)對內(nèi)皮細胞對治療的反應(yīng)的實時監(jiān)測。

總而言之，這項研究為腦血管組織工程提供了一個強大而多功能的平臺。隨著生物打印技術(shù)的不斷發(fā)展，它們有望改變我們研究和治療中風(fēng)和動脈粥樣硬化等疾病的方式，加速治療方法的探索和個性化干預(yù)措施的開發(fā)。

更多信息： Wonbin Park 等，《利用機械增強型細胞外基質(zhì)生物墨水對狹窄腦血管進行嵌入式 3D 同軸生物打印，用于研究血流動力學(xué)力誘導(dǎo)的內(nèi)皮反應(yīng)》，《先進功能材料》 (2025)。DOI ：10.1002/adfm.202504276