综述：生理相关性的多能干细胞3D生物制造在再生医学中的应用

本综述系统阐述了人诱导多能干细胞（hiPSCs）在再生医学中的应用前景与当前技术瓶颈。文章重点批判了传统2D培养和3D悬浮聚集技术对hiPSCs功能完整性的限制，创新性提出合成肽水凝胶（PepGel）可构建生理相关性3D微环境，支持hiPSCs以生物自然方式生长并维持多能性。同时探讨了自动化、人工智能（AI）与3D生物打印等前沿技术在标准化器官制造中的融合应用，为突破血管化难题和实现临床转化提供了技术路线图。

　　

再生医学的革命性突破

再生医学作为颠覆性生物技术，正通过个性化医疗方案重塑现代医疗格局。截至2024年，全球再生医学市场估值约450亿美元，并以34.6%的年复合增长率持续扩张，预计2032年将达到4100亿美元。这一领域的快速发展主要依托于细胞与生物材料两大核心技术的突破，其中人诱导多能干细胞（hiPSCs）因其无限自我更新能力和分化为所有体细胞类型的潜能，成为解决细胞来源短缺问题的关键，同时规避了胚胎干细胞涉及的伦理争议。

hiPSCs培养技术的演进与局限

传统二维（2D）培养系统依赖饲养层细胞或基质胶（Matrigel），但存在动物源污染、自发分化风险高、劳动强度大和扩增效率低等固有缺陷。虽然研究者开发了层粘连蛋白、纤连蛋白等无饲养层基质，但这些改进仍局限于2D环境，无法模拟体内三维微环境。

三维悬浮培养技术通过生物反应器（如搅拌式反应器、波浪式生物反应器）实现了hiPSCs的大规模扩增，但细胞聚集成团会导致内部营养梯度差异，使细胞存活率维持在81%-93%，且多次传代后出现产量不稳定的问题。这种机械性聚集形成的球体并非真正意义上的生理性三维生长。

生理相关性3D生物制造新范式

hiPSCs作为贴壁细胞，其生理功能依赖于细胞外基质（ECM）提供的三维支架结构。研究表明，hiPSCs通过分泌蛋白酶动态重塑3D微环境，通过E-钙黏蛋白介导的细胞间连接和旁分泌信号，激活细胞骨架重组和关键信号通路（如PI3K/Akt、GPCRs/RTKs），从而调控增殖与多能性相关转录共激活因子YAP/TAZ的活性。

合成肽水凝胶（如PGmatrix）通过自组装形成明确可控的三维网络结构，支持hiPSCs形成均一尺寸的3D集落，在连续传代过程中保持高活性和多能性标志物表达。该平台可进一步优化为3D悬浮培养系统（PGmatrix^TM hiPSC Suspension Kit），在保证细胞生物学完整性的同时，实现培养基消耗量较2D培养减少50%，较 scaffold-free 悬浮系统降低30-50%，展现出显著的规模化优势。

智能化技术赋能器官制造

自动化与人工智能技术正推动hiPSCs生产从人工操作向算法驱动转变：

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  机器人工作站（如Tecan Fluent）实现2D hiPSCs培养与分化的闭环操作
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  计算机视觉模型（U-Net架构）自动筛选未分化集落（CellX^TM系统）
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  深度学习通过无标记成像预测分化结局，提前50天预警细胞产量（Hojo等）
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  微流体芯片通过倒置微孔阵列精确控制球体尺寸与几何形状

器官类器官构建技术已覆盖脑、肝、肾、肠、心、肺等22种器官模型，年增长率达22.8%。当前主流方法仍采用"2D预培养→酶解单细胞→3D聚集"模式（图1方案I），但该方式形成的类器官在结构和功能成熟度上存在局限。3D生物打印技术通过挤出成型、数字光处理（DLP）等技术实现多细胞/多材料精确定位，但血管网络构建仍是重大挑战。

临床转化路线图与挑战

为实现生理相关性3D生物制造的临床转化，需要分阶段推进：

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  短期（1-3年）：建立标准化3D类器官平台用于高通量药物筛选
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  中期（3-5年）：开发数字孪生疾病模型，推进器官芯片（organ-on-a-chip）监管申报
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  长期（5-10年）：实现临床级器官制造与移植准备

关键科学挑战包括：

1. 1.
   血管化难题：通过共分化内皮细胞构建功能化血管网络，或利用空间微重力环境促进三维自组装
2. 2.
   标准化瓶颈：需要建立器官类器官生产的GMP标准和质量控制系统
3. 3.
   成熟度限制：现有类器官多停留在胎儿期功能水平，需要开发加速成熟技术

未来展望

随着FDA现代化法案3.0（FDA Modernization Act 3.0）推动动物试验替代方案发展，hiPSCs衍生系统有望成为新一代临床前评价平台。合成生物材料与智能制造的深度融合，将最终突破再生医学的规模化瓶颈，实现个性化医疗的全面落地。