单细胞尺寸3D打印支架在视网膜色素上皮细胞治疗中的突破与应用

《Acta Biomaterialia》：Single-cell-pore-sized 3D Printed Scaffolds for Retinal Pigment Epithelial Cell Therapy

本研究针对视网膜色素上皮(RPE)细胞治疗中生物材料优化的关键问题，开发了具有单细胞尺寸孔隙的3D打印聚己内酯(PCL)支架。通过与临床常用的径迹蚀刻聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜对比，发现～10 μm孔径的PCL-25支架能显著提升hESC-RPE细胞的屏障完整性(TEER>200 Ω·cm2)、吞噬功能及营养交换效率。动物实验证实该支架在猪/兔模型视网膜下腔具有14个月生物相容性，为视网膜退行性疾病治疗提供了可降解新材料方案。

　　

随着全球人口老龄化加剧，年龄相关性黄斑变性(AMD)已成为55岁以上人群失明的主要原因，给公共卫生系统带来沉重负担。这种疾病的病理机制与视网膜色素上皮(RPE)细胞退化密切相关——这些位于视网膜底层的六边形细胞如同"视网膜的守护者"，负责维持光感受器的健康、形成血-视网膜屏障以及吞噬脱落的视锥视杆细胞外节。由于RPE细胞缺乏自我再生能力，移植健康RPE细胞被视为恢复视力的潜在疗法，但如何让移植细胞在视网膜下腔长期存活并发挥功能，一直是科研人员面临的重大挑战。

在《Acta Biomaterialia》发表的最新研究中，新加坡国立大学眼科研究团队开创性地利用电流体动力喷印(e-jet)技术，研制出具有单细胞尺寸孔隙的3D打印支架，为RPE细胞治疗提供了创新解决方案。该研究首次系统比较了生物可降解聚己内酯(PCL)支架与临床常用非降解材料PET膜在RPE细胞培养和动物移植中的表现，为下一代视网膜移植材料设计提供了重要依据。

研究人员采用多学科交叉方法，首先通过人胚胎干细胞(hESC)定向分化为RPE细胞，同时优化e-jet打印工艺参数（包括电压1.4-2.3 kV、喷嘴-基底距离0.6-1.5 mm、进料速率0.5-1.4 μL/min），制备出两种不同孔径的PCL支架（PCL-25孔径～10 μm，PCL-35孔径～20 μm）。针对动物实验需求，额外打印200 μm孔径支撑层提升手术操作性。研究团队建立了完整的体外评价体系，包括细胞接种效率、跨上皮电阻(TEER)检测、FITC-葡聚糖渗透性实验、光感受器外节(POS)吞噬功能分析等，并在猪模型（2个月）和兔模型（14个月）中通过眼底彩照、光学相干断层扫描(OCT)、免疫组化和全视野电静息图(ERG)系统评估支架的生物相容性。

研究结果显著表明，支架结构设计对RPE细胞行为具有决定性影响。形态学表征显示，PCL-25支架厚度仅6.64±0.84 μm，接近人Bruch膜厚度，且孔径分布均匀性显著优于传统PET膜。功能学检测发现，PCL-25组细胞在培养9周后TEER值超过200 Ω·cm²，与PET膜相当，而PCL-35组始终维持在20 Ω·cm²左右。免疫荧光染色证实PCL-25组细胞能形成连续ZO-1紧密连接带，表达RPE65、BEST1等特征蛋白，并保持典型的六边形形态。透射电镜观察到PCL-25组细胞顶端微绒毛发育良好，细胞核定位正常，而PCL-35组则出现细胞核陷入孔隙的异常现象。

在动物实验中，支架移植手术成功率100%，术后影像学显示支架稳定位于视网膜下腔。组织学分析发现PCL支架周围仅出现轻度胶质细胞反应（GFAP、Vimentin阳性），而PET膜移植区则出现视网膜变薄和结构紊乱。特别重要的是，14个月随访期间兔模型ERG检测显示各波形振幅和峰值时间无显著变化，证明支架对视网膜功能无不良影响。尽管通过OCT和眼底影像未观察到明显降解迹象，但研究人员指出这符合PCL材料在视网膜下腔低代谢环境中的缓慢降解特性。

该研究的创新性在于首次明确"单细胞尺寸"孔隙设计对RPE细胞极化和功能维持的关键作用。～10 μm孔径既能防止细胞陷入孔隙，又为营养交换预留足够空间，完美平衡了细胞锚定和物质传输的双重需求。相比临床应用的PET膜，这种可降解支架避免了非降解材料可能引发的慢性炎症风险，且其高渗透性有助于预防Drusen样沉积物积累——这是AMD病变进展的重要风险因素。

研究人员在讨论中指出，尽管支架设计已实现重要突破，但仍需优化手术操作性和降解速率匹配问题。未来研究将聚焦于生物活性修饰、细胞共移植以及大型疾病模型验证。这项技术不仅为视网膜疾病治疗开辟了新途径，其"单细胞尺寸"设计理念更可推广至皮肤、肾脏等其他上皮组织工程领域，展现出广阔的转化医学前景。