肝脏作为人体内最大的实质性器官，承担着代谢、解毒、合成等核心生理功能，然而急性肝衰竭和终末期肝病面临供体肝脏短缺、传统组织工程方法功能维持不足等严峻挑战。北京大学邓宏魁教授团队与清华大学庞媛教授团队近期在《Gut》发表题为《Bioprinting functional hepatocyte organoids derived from human chemically induced pluripotent stem cells to treat liver failure》的研究论文。为突破人原代肝细胞体外扩增限制并构建可移植的功能性肝组织，团队开发了化学诱导多能干细胞（hCiPSCs）定向分化结合3D球体生物打印的创新技术：通过透氧微孔装置规模化培养高活性肝细胞类器官（hCiPSC-HOs），其存活率超90%且核心功能接近原代肝细胞；继而以GelMA水凝胶为载体，采用球体生物打印技术构建高密度细胞相互作用的3D肝微组织（3DP-HOs），解决了传统单细胞打印的细胞离散和功能衰减问题。体内实验证实，3DP-HOs移植显著改善两种肝衰竭小鼠模型的预后，并促进肝组织血管化重建、抑制纤维化且恢复白蛋白分泌等核心功能。该研究首次实现非基因编辑干细胞与生物打印技术的结合，构建出兼具功能成熟度与体内移植可行性的“微型肝脏”，为肝衰竭治疗提供了从细胞来源到组织构建的全解决方案，推动肝脏再生医学向临床应用迈出关键一步。

为开发治疗肝衰竭的功能性肝组织，研究团队提出了一种创新策略：将化学诱导多能干细胞衍生的hCiPSC-HOs与球体生物打印技术相结合，构建高细胞密度的3DP-HOs（图1）。研究利用聚二甲基硅氧烷（PDMS）基微孔装置规模化培养类器官，通过优化氧气供应显著提升了hCiPSC-HOs的存活率和生物功能。进一步通过球体生物打印技术将hCiPSC-HOs与GelMA水凝胶结合，形成具备丰富细胞间相互作用的3DP-HOs。

研究通过透氧微孔装置成功实现了高功能hCiPSC-HOs的规模化生成。以化学诱导多能干细胞来源的肝祖细胞（hCiPSC-HPCs）为起始材料，接种于聚二甲基硅氧烷（PDMS）基微孔阵列后，细胞在2天内自组装成球体。与传统聚苯乙烯培养板相比，透氧装置显著提升了细胞球体的平均直径和存活率。hCiPSC-HOs在白蛋白分泌、尿素合成及药物代谢相关基因（HNF4A、CYP3A4等）表达上显著优于2D培养的肝细胞样细胞（hCiPSC-Heps），且与原代人肝细胞（PHHs）功能相当。此外，hCiPSC-HOs表现出典型的肝细胞生物学功能，包括ICG摄取与释放、脂质代谢及胆汁酸转运结构形成（图2）。

进一步，研究者通过将hCiPSC-HOs和GelMA水凝胶混合，构建了3DP-HOs。3DP-HOs的细胞活力可达92.68%，显著优于单细胞打印技术。三维打印结构的微通道设计促进了氧气扩散与营养运输，使中心区域细胞存活率显著高于非打印的块状水凝胶。3DP-HOs的白蛋白分泌、尿素合成及关键肝基因（HNF4A、CYP3A4等）表达均显著优于2D培养的hCiPSC-Heps，且与打印前的hCiPSC-HOs功能相当。免疫荧光进一步验证了肝细胞标志物的表达（图3）。


根据结果，移植3DP-HOs的小鼠7天存活率达85.7%，显著高于假手术组（0%）、空白组（0%）和3DP-A549组（0%），且与正常对照组无差异。血清检测显示，3DP-HOs移植后人白蛋白持续表达，肝损伤标志物（ALT、AST、TBIL等）在7天内恢复至正常水平，显著优于对照组。组织学分析表明，3DP-HOs组肝组织坏死和充血区域减少，凋亡细胞（TUNEL阳性）及纤维化相关指标（α-SMA、Collagen I）显著降低，同时肝功能相关基因（Alb、Cyp2e1）表达上调，炎症因子（IL-1β、TNF-α）分泌减少。多供体验证实验中，不同性别来源的hCiPSCs衍生的3DP-HOs均表现出一致的高存活率，证实了该疗法的普适性。此外，3DP-HOs移植还促进了肾肺功能恢复。综上，3DP-HOs通过提升存活率、改善肝功能、抑制炎症和纤维化，为ACLF治疗提供了高效的解决方案（图4）。


移植3DP-HOs的Fah−/−小鼠在60天观察期内存活率达80%，显著高于Sham组（0%）、空白组（0%）及3DP-A549组（0%），且体重维持稳定并逐渐恢复至正常水平。血清检测显示，移植后30天和60天的人白蛋白（hALB）水平持续升高，表明3DP-HOs在体内长期维持肝脏功能。肝损伤标志物（ALT、AST、TBIL等）在3DP-HOs组显著低于对照组，且肝组织H&E染色显示坏死和充血区域减少，Ki67染色证实肝细胞增殖增强，TUNEL染色显示凋亡细胞减少。基因表达分析表明，3DP-HOs移植显著下调炎症（Il-1b、Tnfa）和纤维化（Col1a1、α-SMA）相关基因，同时上调肝功能（Alb、Cyp2e1）和细胞增殖（Mki67）相关基因。多供体验证显示，不同来源的3DP-HOs均表现出一致的疗效，包括稳定的hALB分泌、肝损伤标志物改善及炎症减轻。3DP-HOs显著改善了Fah−/−小鼠的长期存活率和肝脏病理状态，证实了该疗法在遗传性肝衰竭模型中的有效性和普适性（图5）。


3DP-HOs在Fah−/−肝衰竭小鼠移植60天后，仍保持完整的晶格状结构，GelMA水凝胶无明显降解或解离，表明3DP-HOs在体内可长期存在。活死染色显示移植后细胞存活率高，免疫荧光及CD31染色显示3DP-HOs内形成毛细血管，且血管具备灌注功能，表明3DP-HOs与宿主建立血管连接，保障氧气和营养物质运输。肝细胞标志物ALB、CYP3A4及细胞连接蛋白E-钙粘蛋白持续强表达，表明细胞功能稳定。RT-qPCR分析显示，移植前后3DP-HOs的生物合成、药物代谢及凝血相关基因表达无显著差异，且检测到胆管相关标志物CK7和CFTR，暗示体内微环境促进类器官向胆管方向分化。综上，3DP-HOs在长期移植中展现出卓越的结构稳定性、血管化能力及功能维持性，为肝衰竭治疗的临床转化提供了关键依据（图6）。

该研究的真正价值在于打破了传统再生医学的单一技术局限，将干细胞定向分化、生物材料工程与3D打印技术创新性整合，构建出兼具功能成熟度、结构稳定性与体内适应性的“活体肝组织”。这不仅为肝衰竭治疗提供了超越肝移植的全新解决方案，更标志着人类在器官工程领域从“功能模拟”迈向“生理重构”的关键跨越。随着生物打印材料与规模化生产技术的进一步优化，该成果有望加速推动肝脏再生医学从实验室走向临床，为千万肝病患者点燃“功能性肝组织替代治疗”的希望之光。