多学科团队打造3D打印功能性人体结肠模型，用于研究癌症和药物反应

     2025年10月22日，加州大学欧文分校（UC Irvine）与纽约理工学院（NYIT）联合研究团队，近日成功开发出迄今为止迄今最逼真的3D打印人体结肠模型，为结直肠癌研究、药物筛选及精准医疗带来新的进展。

      研究团队采用先进的生物打印技术，从人体细胞出发，构建出微型、结构精细的结肠模型。与传统的二维细胞培养或动物实验不同，这一3D打印“实验室结肠”能够高度还原人体结肠的真实形态、组织层次和功能表现，包括自然褶皱和复杂组织结构。研究人员将它命名为3D-IVM-HC模型，并集成了生物电子传感器，实现对组织健康状况的实时监测。

3D打印构建高仿真微型结肠模型
       本次研究采用了FRESH（悬浮水凝胶自由形态可逆嵌入）生物打印技术。这项技术最早由卡内基梅隆大学Adam Feinberg实验室于2015年开发，是现代生物打印领域的里程碑。FRESH技术通过支撑性凝胶槽固定柔软生物材料，使科学家能够打印出具有复杂内部细节的组织和器官。目前，此技术的知识产权已独家授权给FluidForm Bio，并在全球学术界广泛应用。
      在具体实践中，研究团队利用FRESH 3D打印了一个约5 x 10毫米的微型结肠模型。他们将明胶甲基丙烯酸酯 (GelMA) 和海藻酸盐结合在一起，创造出一种柔性基质，可以模拟活体组织的触感和功能，既足够坚固以维持形态，又足够柔软，可以让人体细胞在里面生长。
      打印完成后，他们在模型中植入了两种细胞：成纤维细胞（构成结肠的结缔组织）和Caco-2上皮细胞（位于结肠内壁）。研究人员解释说，随着时间的推移，这些细胞会自行组织成层，形成“隐窝状结构”，这些微小的褶皱可以增加真实人体结肠内部的表面积。研究表明，打印的组织显示出超过95%的细胞存活率和逼真的组织硬度，使得这项技术比传统的实验室培养方法更加准确。

集成生物传感的3D打印结肠

为了测试3D打印模型的真实性，研究人员植入了结肠癌细胞 (HCT116)，并用常见的化疗药物 5-氟尿嘧啶 (5-FU) 进行治疗。在标准的二维实验室测试中，癌细胞对药物反应强烈，但在3D 打印的结肠中，癌细胞表现出更高的耐药性，就像真实患者一样。这意味着3D模型可能比平板细胞培养或动物试验更准确地预测临床结果。

据加州大学欧文分校电气工程和计算机科学助理教授、资深作者Rahim Esfandyar-pour称，该模型的精确3D结构对于重现控制真实细胞行为的机械和化学环境至关重要，这是平面培养甚至一些动物模型无法复制的。

研究团队还将生物电子传感器集成到系统中，用于监测电阻（TEER）。TEER是衡量组织形成屏障能力的指标，对于测试药物和疾病如何影响结肠内壁至关重要。打印组织的TEER值接近真实人体样本，并证实它的行为类似于活体组织。

打造临床前试验新平台
        研究团队指出，啮齿动物实验中大约一半的毒理学结果无法有效地应用于人类，而动物研究可能需要数年时间，耗资数百万美元。相比之下，3D-IVM-HC模型只需约两周即可开发完成，并在几天内用于药物测试。
      据主要作者Jorge Alfonso Tavares-Negrete和Esfandyar-pour称，3D打印结肠为研究人类疾病提供了一种更快、更便宜、更符合道德的方法，可将动物测试成本降低高达80%，并为测试癌症治疗提供一个现实的、可定制的平台。
      展望未来，团队计划利用患者来源细胞，打造个性化微型结肠模型，实现个体化肿瘤药物反应测试，迈向真正的精准医疗。Esfandyar-pour表示：“此类3D打印模型有望成为医院和实验室临床前药物测试的标准工具，推动药物研发流程变革，助力全球精准医疗发展，改善结直肠癌患者预后。”