韓國浦項科技大學Sungjune Jung教授團隊使用MicroFab的按需噴墨生物打印系統Jetlab II，將噴墨打印與微米級別的三層肺泡組織有效地結合起來，開發了一個與人體生理結構高度類似的肺類器官芯片模型，克服了傳統組織制造方法在微流控裝置中的局限性，是研究肺部病毒感染和疾病模型以及藥物分析的有效工具。

介紹
肺是呼吸系統的主要器官，在循環系統內吸入空氣和血液進行氣體交換，肺泡直接暴露于外部環境中，使肺部容易受到細菌和病毒等病原體的感染，導致肺炎、結核病和肺癌等疾病的發展。對研究疾病的發病機制和藥物研究的體外肺模型的需求正在增加。傳統的二維細胞培養模型在結構和功能上與活體肺存在差異，不適合用于診斷和治療。肺類器官芯片是一個先進的培養平臺，模擬肺泡屏障的機械和結構特性，反映其生理微環境，包括灌注和肺功能。

生物打印是一種多功能技術，可以自動制造復雜的3D結構的組織模型。Sungjune Jung教授團隊使用MicroFab按需噴墨生物打印系統Jetlab II（80μm噴頭）通過微米分辨率定位噴射皮升體積的細胞懸液，成功在微流控芯片中構建超薄多層肺泡屏障組織， 從而使精確制造的組織在灌注下的培養能夠模擬人體肺部的功能。如圖1所示。
 

▲ 圖1 用于安裝包含生物噴墨打印的肺泡屏障組織的培養插件的微流控系統的示意圖。A(i) PDMS培養插件可安裝的生物芯片，（ii）在組織培養插件中噴墨打印人體肺泡活細胞，（iii）將含有活組織的培養插件安裝到PDMS芯片中，（iv）在安裝四個插件后向肺類器官芯片灌注培養基。B (i)包括流體系統的肺類器官芯片的橫截面示意圖和（ii）芯片上的肺泡屏障組織的橫截面示意圖。

人體肺泡屏障模型的噴墨生物打印。采用按需噴墨生物打印技術制備了四種肺泡細胞系（人肺微血管內皮細胞、含有膠原的成纖維細胞和兩種類型的人肺泡上皮細胞）的微米厚三層人體肺泡屏障模型，圖2展示了整個打印過程、含有細胞的液滴高速頻閃圖像和細胞的陣列代表圖。
 

▲ 圖2 利用噴墨生物打印技術制備肺泡屏障模型。（A）肺泡屏障模型的順序打印過程示意圖。（B）壓電噴墨打印機單噴頭的自動組織打印過程的圖像。（C）噴射載細胞液滴的高速頻閃圖像。比例尺：100μm。（D）打印在基底上的6×6載細胞液滴陣列的代表性圖像。比例尺：200μm。

為了對打印的結構特征和細胞活力進行評估，生物打印的肺泡屏障模型在制作完成1天后植入微流控裝置，灌注培養7天。組織學圖像顯示膠原基底膜兩側的上皮細胞和內皮細胞均勻分布的三層結構（圖3A），圖3B為生物噴墨打印肺泡屏障組織在靜態條件下的多孔板和灌注條件下的芯片中培養7天后的細胞活力。兩組之間在細胞活力方面的差異可以忽略不計。圖3C顯示，培養7天后，TEER值大幅增加，說明培養組織在裝置上的屏障完整性增加。采用末端脫氧核苷酸轉移酶dUTP缺口末端標記（TUNEL）實驗觀察培養組織中的凋亡細胞（圖4D），結果表明將培養插件整合到微流控裝置中不會對噴墨生物打印的肺泡組織的細胞活力產生不良影響。
 

▲ 圖3 （A）聚碳酸酯（PC）多孔膜對肺泡屏障組織切片的H&E染色。比例尺：10μm。（B）在孔板（靜態）和微流控裝置（灌注）上培養的生物打印組織上，使用CCK-8實驗的細胞增殖率比較。“空白”用一個無細胞的Transwell插件進行測試。（C）芯片上培養的肺泡屏障組織的TEER值測定。（D）用TUNEL檢測試劑盒處理的肺泡屏障組織的熒光圖像。凋亡細胞呈綠色，正常細胞呈紅色。比例尺：100μm。

為了分析肺泡屏障組織的功能基因，進行了2D細胞培養模型和芯片上噴墨生物打印模型之間的代表性肺泡基因表達譜的比較，如圖4所示，包括表達緊密連接蛋白（ZO-1、occludin和E-cadherin）、離子通道（α-ENaC、β-ENaC和γ-ENaC）、離子輸送泵（ATP1A1）和表面活性劑蛋白（親水性SP-A和疏水性SP-B）的基因，這些基因參與肺泡屏障的關鍵功能，包括屏障形成、液體清除和表面活性劑分泌。結果表明，在芯片上噴墨生物打印的組織中，呼吸道上皮屏障的完整性得到了改善，可以更準確地反映肺功能。
 

▲ 圖4 2D細胞培養模型和芯片上噴墨生物打印模型的代表性肺泡基因表達譜的比較。

結論
結合肺類器官芯片和噴墨生物打印技術是一種創新的方法，利用MicroFab按需噴墨生物打印系統Jetlab II開發了一種新型的肺類器官芯片平臺，并且可以植入微流控系統，提供ALI培養條件，且不均勻分布系數低（1.8%），對于人類未來在體外模擬各種器官從而對其進行各種研究有重大意義，是研究病毒感染和疾病模型以及藥物分析的有效工具。

參考文獻：
[1] Kim W , Lee Y , Kang D ,et al.3D Inkjet-Bioprinted Lung-on-a-Chip[J].ACS Biomater. Sci. Eng. 2023, 9, 5, 2806–2815