全球范围内肺部疾病的患病率相当高。据世界卫生组织统计，慢性阻塞性肺病（COPD）在2019年已经成为全球第三大致命疾病，导致323万人死亡。除了直接导致死亡外，肺部疾病（如COPD）还会增加患者患上其他严重健康问题的风险，例如心血管疾病和感染。
生物打印技术使研究人员能够 3D 打印更具仿生学相关性的肺组织模型，从而彻底改变了肺部研究的面貌。这一方法不仅在治疗应用、疾病建模和组织再生方面展现了巨大的潜力。通过将活体肺细胞整合到三维结构中，研究人员能够再现肺部疾病中存在的条件，不仅更好地理解疾病机制，还有望为治疗计划、组织再生和药物效能方面的研究提供更为有效的方法。
在这篇博客中，我们将重点介绍科学家如何利用3D生物打印推动肺部疾病研究和组织再生。一同探索这些重大突破，以及为对抗肺部疾病而开发的创新3D模型。
源自美国国家癌症研究所 — 关于转移性肺癌的信息
肺癌耐药性检测
设计用于长期培养和进行耐药性测试的肺癌芯片模型
肺癌是一种侵袭性极强的癌症，其存活率非常低。这在很大程度上是由于癌症具有高度的耐药性，通常导致其复发。在研究治疗的长期效果和癌症耐药机制时，面临的一项挑战是维持细胞培养的寿命。
弗罗茨瓦夫科技大学Agnieszka Krakos博士的研究团队正在致力于延长H69AR肺癌细胞系的培养寿命，该细胞系表现出多重耐药性。通过延长该细胞系的培养寿命，将更容易识别其耐药机制并评估当前的药物策略。
在2023年的一篇论文中，Krakos博士的团队利用CELLINK的BIO X制造了多材料芯片实验室平台。这是生物打印技术首次用于创建与H69AR细胞系一起使用的微流控芯片。当团队意识到水凝胶对适应细胞系耐药表型的潜力时，他们尝试了六种不同成分的水凝胶墨水，包括不同比例的海藻酸钠、琼脂、壳聚糖、明胶和甲基纤维素。该团队通过使用三层“三明治”型芯片实验室成功地打印了水凝胶。
打印的芯片实验室（或芯片癌症）模型成功地模拟了肺癌微环境特征，并且所有水凝胶组合物都促进了细胞存活时间的延长。在3%海藻酸钠 + 7%明胶 + 90% NaCl的水凝胶组合物中，观察到最佳的细胞活力和寿命。
总体而言，这表明了改善肺癌治疗的巨大希望，我们期待关注研究人员未来的研究成果。
基于贴片的肺再生疗法
专为动态器官机制定制的生物相容性双层水凝胶贴片
在过去的二十年里，人们一直在不懈地努力开发治疗贴剂，以增强人体器官的修复和再生。基于贴片的疗法的开发在很大程度上受到了使贴片适应器官复杂的机械动力学的挑战。这种治疗方法在处理继发性自发性气胸（SSP）等方面具有很大的潜力，而这种气胸可能由多种疾病引起，例如：慢性阻塞性肺病、哮喘和肺结核。这潜力源自于贴片再生组织和填充孔洞的能力，正如我们在下文强调的研究所展示的。
北卡罗来纳大学的Parth Chansoria博士及其团队创建了一种具有各向异性和拉胀特性的贴片，涵盖了广泛的肺部动力学。该团队使用LUMEN X打印了双层贴片，包括具有细胞粘附性的GelMA底层和非粘附性的PEGDA顶层。CELLINK的技术使该团队能够定制贴片，以符合不同器官组织（尤其是肺组织）的力学原理。
研究发现，这些DLP生物打印贴片能够有效地密封孔洞并防止大鼠模型的肺部漏气。这些孔填充贴片的成功证明了所用设计方法的可行性，以及其满足不同器官要求的适应性。总的来说，该团队的工作展示了基于贴片的疗法在临床应用中的巨大潜力。
肺肿瘤微环境的精确3D模型
用于肺部肿瘤的精准药物筛选的3D打印肺部模型
耐药性是肿瘤学领域最大的挑战之一，也是成功癌症治疗的主要障碍。传统上，抗癌药物是使用2D细胞培养平台进行评估的。然而，二维细胞培养无法模拟肿瘤微环境的复杂性，也无法有效预测耐药性。由于90%的化疗失败与耐药性有关，因此打印准确的3D肺部模型可以帮助预测耐药性并取得更大的成功.
Gebeyehu、Surapaneni、Huang等人的研究中，他们使用了BIO X和INKREDIBLE的组合，配制了经过优化的生物墨水，可用于打印药物筛选支架。该团队采用患者来源的异种移植（PDX）细胞，打印水凝胶支架，以确保高度精确地重建肿瘤微环境。这项研究覆盖了细胞间相互作用、营养梯度和组织结构。该团队通过一系列流变评估实现了良好的印刷适性和形状保真度，同时保持了高细胞活力。
这些准确的生物打印3D模型代表了对肺癌耐药性理解的飞跃。研究人员建议，通过使用水凝胶创建体外肿瘤微环境，他们能够对各种抗癌药物进行高通量筛选。这不仅可以带来更好的癌症治疗方法，还可以使研究人员比以前更快地找到有前途的癌症候选药物。
打印肺组织正在增进我们对肺部疾病的了解
我们上面强调的论文例证了 3D 生物打印在增进人类对肺部疾病和组织再生的理解方面的力量。
全球各地的研究人员正在努力改善肺部治疗，生物打印因其灵活性和对人类肺组织的模拟能力而成为越来越常用的工具。我们期待着持续关注研究人员如何创新性地利用生物打印推动更有效治疗方法的发展。
如果您渴望了解生物打印如何提升您自己的研究，请预约与我们的应用科学家进行咨询。