MicroFab Inkjet喷墨打印制备人体皮肤等效物在体外免疫诊断的应用-技术前沿-资讯-生物在线

MicroFab Inkjet喷墨打印制备人体皮肤等效物在体外免疫诊断的应用

作者：上海睿度光电科技有限公司 2024-09-06T00:00 (访问量:7381)

近年来随着人体组织工程学的发展，人体组织模型（细胞、组织、器官等）在药物测试和安全性评估以及化妆品和新疗法开发领域有许多潜在的应用，然而，适合于高通量筛选生物制剂的模型种类非常有限。为了更等效人体组织，近日，纽卡斯尔大学基础学院Stefan Przyborski教授带领团队在《International Journal of Bioprinting》发表了影响因子30.20的高分文章，已被引用2953次。根据生物打印原理，该研究使用MicroFab的喷墨打印系统Jetlab 4对自体皮肤细胞进行生物打印和培养，在停留时间为1000μs，背压为150mmHg，每滴体积为103±1nL的条件下，能够打印自体细胞并产生人体皮肤等效物（HSE），在生产效率和输出一致性之间取得了良好的平衡。研究证明了成纤维细胞和角化细胞可被高精度地生物打印并保持生物活性，组织学染色显示HSE与人类皮肤相当，可广泛应用于体外鉴定单克隆抗体的免疫毒性，以建立潜在免疫反应的细胞因子谱。

正文

随着组织工程学的迅猛发展，使人类替换病损组织的梦想成为现实，人体皮肤等效物的研究，将给烧伤、大面积溃疡及皮肤缺损患者在临床的检测、诊断、治疗带来福音。然而，HSE存在体外培养过程周期较长、难以及时满足临床需要等问题。本研究使用MicroFab的喷墨打印系统Jetlab 4对自体皮肤细胞进行生物精准打印和培养，先将20µL浓度为25×10⁶个细胞/mL的纤维细胞悬液直接打印到96孔板内的Alvetex支架（膜厚200µm）上，如图1，培养18天形成皮肤等效物，再将20μL浓度为20×10⁶个细胞/mL的人表皮角质细胞均匀打印在培养的皮肤等效物上，诱导培养表皮层分化2周，开发出一种可扩展、大规模制备的方法来制造HSE，能够保持皮肤等效性和活性，可应用于识别临床前不良免疫反应。

▲ 图1 皮肤等效模型的开发

▲ 图2 在不同的停留时间和正气压下，每个液滴所分配的平均介质体积

通过表征打印停留时间和气压的变化，并测量打印体积，确定最佳打印参数。为了测量打印体积，以200滴培养基D打印到1.5mL试管中的重量为基准。如图所示，在停留时间为1000μs，正压为150mmHg，每滴体积为103±1nL的条件下打印细胞并培养HSE，能够在生产效率和输出一致性之间取得了良好的平衡。

▲ 图3 在静置时间1000μs和背压150 mmHg下，生物打印成纤维细胞和角化细胞的（A）细胞计数和（B）细胞活力

生物打印的成纤维细胞和角质形成细胞的细胞计数和活力如图3所示。打印细胞的数量和活力在两种细胞类型中都是稳定和一致的，这表明本研究中的生物打印设备在小体积内分配大量细胞方面是稳健精密和可复现的。

▲ 图4 生物打印真皮和全层皮肤等效物的代表性染色

H&E染色的结果如图4所示，图A显示在支架的顶表面可以看到一层分布一致的真皮成纤维细胞。H&E染色的HSE如图B所示成纤维细胞上的表皮层清晰可见：基层、棘层（分化和表面迁移的角化细胞形成棘状层）、颗粒层和非常薄的角质层。生物打印的HSE的天狼星红染色显示HSE真皮层中胶原蛋白含量很高(图C)，大而厚的交联胶原蛋白层在真皮与表皮交界处的表皮下可见。这层胶原蛋白横跨真皮层，支持表皮的形成。

▲ 图5 健康人体皮肤和生物打印皮肤的代表性染色

▲ 图6 自体共培养的平均促炎细胞因子浓度

促炎细胞因子的量化水平如图6所示，在OKT3诱导处理的样本中，IL-2水平显著升高，被IL-2激活的T细胞随后可以增加IFN-γ的表达。结果表明，生物打印人源化的HSEs，具有细胞因子的多重量化，可广泛应用于体外鉴定单克隆抗体的免疫毒性，以建立潜在免疫反应的细胞因子谱。

结语

本研究使用MicroFab喷墨打印系统Jetlab 4基于96孔板惰性支架生物打印，成功制备了人体皮肤等效物，可用于确定诊断单克隆抗体的不良免疫反应。证实了人源皮肤细胞生物打印的可行性，并保留细胞的生物功能形成完整的HSE，与人体健康皮肤效果相当，能够成功地鉴定出阳性和阴性治疗抗体的不良免疫反应。这项研究表明，生物打印的人体组织可以在体外识别由治疗性抗体引发的不良免疫反应，从而在临床测试之前加强对新型生物制剂的临床前评估，如疾病建模和伤口愈合建模，未来工作的一个具体方面将涉及使用神经元和Swann细胞系对3D皮肤模型进行神经刺激，以进一步验证模型并评估止痛药物，对制药工业的药物开发过程非常有益。

参考文献：

[1]Ahmed M, Hill D, Ahmed S, et al. Bioprinted autologous human skin equivalents for in vitro testing of therapeutic antibodies[J]. International Journal of Bioprinting, 2024, 10(2).

[2]Ahmed M M. Bioprinting of skin equivalents for immunotoxicity testing[D]. Newcastle University, 2020.

[3] Mazzocchi A, Soker S, Skardal A. 3D bioprinting for high-throughput screening: Drug screening, disease modeling, and precision medicine applications[J]. Applied Physics Reviews, 2019, 6(1).

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