长期以来，在疾病机制研究、测试和选择合适的抗癌药物以及开发新药物方面，科研和临床领域一直对新型体外3D研究模型有着迫切需求。尽管近年来类器官、微流控芯片、3D生物打印等技术在体外3D模型构建方面发展迅速，但分别存在着尺寸小而缺乏大尺寸结构特征、难以实现高级别器官功能响应、挤出式操作的剪切力易损伤细胞、建模速度慢制约大规模组织模型构建等局限性。
近日，中国科学院深圳先进技术研究院医工所的李飞、郑海荣研究员与北京协和医院的毛一雷、杨华瑜教授在全息声镊的细胞器官打印构建方面取得重要进展，相关工作以“Acoustic-Holography-Patterned Primary Hepatocytes Possess Liver Functions”为题，发表在生物材料领域著名期刊Biomaterials上。该工作有望为具有生物组织结构和功能的体外仿生3D模型构建，提供一种全新的生物制造方案。
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全息声镊利用声辐射力来捕获、组装、移动和筛选细胞，因其具有非接触、无损伤、精确灵活和图案化过程迅速等独特优势，在构建体外3D模型方面展现出巨大潜力。
全息声镊技术已被用于操控细胞组装成各种图案结构，但以下两个问题制约了该项技术在组织工程和药物筛选等方面的推广应用：1）当前的全息声镊技术仅能创建线型轮廓图案，而不能有效生成任意图案的区域点阵声场，并进一步形成声势阱阵列，将细胞捕获、组装成均匀分布的区域点阵结构，因而限制了制造生物模型结构的灵活性和广泛性。2）面向精准医学的个性化组织工程，需要从生物组织中分离培养原代细胞，以反映特异性组织功能生理和病理特征。而当前全息声镊相关研究多使用细胞系，未能探究原代细胞能否在全息声镊作用下保留其生物活性和功能，即缺乏全息声镊对原代细胞产生的生物学效应的深入系统研究。
全息晶格声镊构建功能性原代肝细胞体外培养模型的实验流程
针对上述局限性，研究者首先改进了现有的全息声镊技术，提出了“全息晶格声镊”（Holographic lattice-based acoustic tweezers），开发了声全息透镜组对入射声波的相位和幅度同时进行调制，以生成任意复杂图案的声全息晶格阵列，如圆形、三角形、正方形和肝形状的复杂声全息晶格图案，并进一步利用声势阱产生的声辐射力效应将细胞组装成特异性点阵图案，模拟肝脏解剖结构。
全息晶格声镊的设计及其操控组装细胞的原理
此外，本研究利用体外可扩增的小鼠原代肝细胞，首次深入研究了全息声镊对原代肝细胞的生物学效应的影响，包括细胞活性、蛋白分泌、药物代谢、糖原储存、解毒等肝细胞核心功能。结果显示：全息晶格声镊作用后的原代肝细胞，产生了大量自组装肝细胞球状体，且相较传统2D和3D培养模型，肝细胞球直径显著增加，肝细胞蛋白合成代谢、糖代谢、解毒等方面功能亦显著增强。
全息晶格声镊所构建小鼠原代肝脏组织模型的活性和功能
本研究表明，全息晶格声镊可为长期体外培养原代细胞提供一种创新解决方案和功能强大的工具，其在组织工程、再生医学等领域具有重要的应用价值。
未来，研究团队将进一步探索其在细胞生物学、疾病机制、药物筛选、器官制造等方面的研究和应用潜力。北京协和医院博士毕业生李常灿和徐岗、王引晗为本文第一作者；郑海荣和李飞、毛一雷和杨华瑜为本文通讯作者。本研究受到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金、深圳市科技项目等基金资助。
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