3D打印的人体皮肤类似物有助于确定潜在的疱疹治疗方法

据世界卫生组织统计，单纯疱疹病毒(HSV)影响了全球64%的人口。它是导致口腔和生殖器疱疹的元凶，可以是无症状的，但也会引起疼痛的爆发并增加感染艾滋病毒的可能性。虽然阿昔洛韦等抗病毒药物可以治疗症状，但不能消灭病毒。一旦感染，HSV就会迁移到神经细胞，在那里复制并躲避治疗和免疫系统。尽管人体通常能够在几周内消除原发性感染，但病毒仍然会在侵入的神经细胞中存活。如今，随着3D打印技术的进步，针对HSV的新型治疗方法不断涌现。

目前的治疗方法对潜伏性HSV无效，并且需要定期服用高剂量。此外，患者可能会对这些药物产生抗药性，这些药物通常无法完全控制症状。正是考虑到这一点，弗雷德哈金森癌症研究中心疫苗和传染病科副教授朱嘉博士毕生致力于研究HSV和改进现有的治疗方法。她在弗雷德哈金森癌症研究中心发表的一篇文章中指出，开发更有效的疗法的关键在于更好地了解当前的抗病毒药物及其局限性。

皮肤层（图片来源：朱实验室）

抗病毒药物的靶点是复制型HSV，主要存在于上皮细胞的基底层，即表皮的最内层。这就是为什么疱疹病变和溃疡经常出现在口腔粘膜或生殖器皮肤等上皮组织上。“尽管这是一个复杂的过程，涉及许多细胞类型，它们共同构成表皮组织，”朱佳博士解释说，“但目前针对HSV的抗病毒药物是通过体外培养Vero细胞和成纤维细胞开发出来的。

源自非洲绿猴肾脏的Vero细胞是细胞生物学中最广泛使用的哺乳动物细胞系之一，而成纤维细胞是结缔组织中最常见的细胞。但这种药物开发方法没有考虑到体内组织环境的复杂性。“因此，这些抗病毒药物在治疗患者的HSV感染方面表现不佳也就不足为奇了，”朱博士补充道。

美国国家转化科学促进中心朱实验室的Ian Hayman和Ferrer实验室的Tori Ellison专门研究3D打印生物制造，他们进行了一项研究，设计了3D生物打印的“人体皮肤等效物”。这些模型以针对抗病毒筛选和临床前测试优化的形式忠实地再现了人体皮肤的结构。

人体皮肤替代物是如何制成的？

据弗雷德哈金森癌症研究中心称，朱教授的实验室利用3D打印技术制作了人体皮肤替代物。为此，研究人员将成纤维细胞放入专门设计的培养容器中，然后添加一层角质形成细胞，再将所有细胞放入不同的培养基中孵育。这一过程使得生成忠实模仿人类皮肤的小类器官成为可能，其中真皮组织主要由成纤维细胞和由角质形成细胞形成的分层表皮组织层组成。

这并不是第一次用3D打印技术打印类皮肤材料。2024年3月，宾夕法尼亚州立大学的研究人员成功打印了第一个完整的多层生命系统。其他团队已经打印出了薄层皮肤，但朱实验室开发的皮肤是专门为改善HSV治疗而设计的。

3D打印过程（图片来源：Zhu Lab）

该实验室开发了两种类型的类器官来研究HSV：一种模拟初始感染，另一种模拟病毒潜伏宿主的激增。为了模拟原发性感染，将模型浸入含有HSV的培养基中。

使用3D打印皮肤进行药物测试

朱的实验室承担了一项艰巨的任务，筛选了738种化合物以评估它们对抗实验性HSV感染的有效性。这些化合物包括新药和已获FDA批准的治疗方法。为了观察治疗效果，研究小组使用了表达绿色荧光蛋白的重组HSV以及用红色荧光蛋白标记的成纤维细胞。利用荧光显微镜，他们能够监测药物的影响：消除HSV绿色信号的药物被认为是有效的，而降低成纤维细胞红色信号的药物会影响宿主组织并且不会被保留。

所获得的结果让研究人员感到惊讶。他们发现了近20种抗病毒化合物，能够有效抑制HSV感染，同时对宿主细胞的毒性极小。此外，他们还观察到新型抗病毒药物以及现有抗病毒药物（如阿昔洛韦）对HSV的有效性存在明显的细胞类型差异。“我们最初使用阿昔洛韦作为阳性对照来测试新的抗病毒候选药物，但我们震惊地发现，它在浸没模型（其中HSV主要感染角质形成细胞）中的有效性至少比在ALI模型（其中HSV主要针对成纤维细胞）中的有效性低十倍，”Hayman解释说。

进一步的分析表明，有效抑制角质形成细胞中的HSV所需的阿昔洛韦剂量超过了接受治疗的患者血清中观察到的最大浓度。朱博士指出：“由于角质形成细胞是HSV在患者体内复制的主要皮肤细胞类型，阿昔洛韦对这些细胞中的病毒效果不佳，这可以解释为什么其在治疗HSV发作方面的有效性有时有限！”»

（图片来源：朱实验室）

药物开发

朱实验室团队计划继续研究最有希望的抗病毒候选药物，并打印人体皮肤模型，以研究这些治疗方法的有效性如何因患者特定的细胞类型而异。Hayman和Zhu总结道：“我们对利用患者来源的细胞以3D方式构建下一代皮肤类器官的前景感到特别兴奋。这种方法使我们能够将每位患者的生物学特性整合到药物研发过程中，并确保我们投入时间和资源的治疗在所应用的细胞环境中真正有效。

3D生物预处理皮肤平台通过从药物试验开始就整合预先存在的基因变异，在该项目中发挥了关键作用。这种方法更接近真实的生理条件，使得识别有希望的抗病毒药物以开发针对HSV的治疗方法成为可能，从而凸显了3D打印的优势。

编译整理：3dnatives