動脈粥樣硬化和中風等腦血管疾病仍然是全球發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致血管壁的慢性炎癥。血管內皮細胞在感知血流剪切應力并通過表達促炎分子來應對紊亂的血流動力學方面發揮著關鍵作用。然而，由于生物系統的復雜性和多變性，在體內研究這一現象具有挑戰性。

傳統的體外模型，包括靜態培養和微流體裝置，通常無法復制人類腦血管環境的結構、機械和生物復雜性。這凸顯了我們需要一個更具生理相關性的模型來研究異常流動模式如何導致內皮功能障礙和炎癥。

為了彌補這一關鍵的研究空白，由釜山國立大學的Byoung Soo Kim教授和Min-Ju Choi研究員領導的合作團隊，與浦項科技大學（POSTECH）的Dong-Woo Cho教授和Wonbin Park博士共同開發了一種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，快速制造出可控制管腔狹窄的可灌注血管導管，”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 (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信息，以支持內皮細胞的附著和功能。”

生物打印血管內包裹了人類內皮細胞，包括臍靜脈內皮細胞 (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。該模型成功構建了體內血流條件，并模擬了與腦血管疾病相關的狹窄幾何形狀。

計算流體動力學模擬和示蹤珠實驗證實，狹窄區域產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。內皮化血管呈現連續覆蓋，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，炎癥標志物顯著上調，這是成熟內皮屏障的標志。

Kim 教授說：“這種 3D 生物打印技術通過實現解剖學上精確且生理相關的血管，標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，復制了狹窄血管的幾何形狀和流動動力學，為研究血流誘導的內皮炎癥提供了一個逼真的平臺。它與多種內皮細胞類型的兼容性拓寬了其在疾病建模和個性化醫療中的應用。通過彌合簡單的體外系統與復雜的體內模型之間的差距，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確性和患者特異性建模。與器官芯片平臺和AI驅動分析的整合，還可以實現對內皮細胞對治療的反應的實時監測。

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。隨著生物打印技術的不斷發展，它們有望改變我們研究和治療中風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措施的開發。

更多信息： Wonbin Park 等，《利用機械增強型細胞外基質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力誘導的內皮反應》，《先進功能材料》 (2025)。DOI ：10.1002/adfm.202504276