声全息技术赋能原代肝细胞 3D 建模，开启肝脏功能研究新维度

肝脏作为人体重要的代谢器官，其功能研究依赖于高质量的细胞模型。传统 2D 培养难以模拟体内微环境，而现有 3D 模型存在寿命短、操作复杂等局限。近期《Biomaterials》发表的研究首次将声全息技术(Acoustic Holography, AH)应用于原代肝细胞三维构建，成功打造出具有完整肝脏功能的体外模型。这种基于声全息晶格(AHL)的技术不仅实现了细胞的精准排布，还让原代肝细胞在体外长期维持了代谢、分泌等核心功能，为肝病研究、药物筛选和器官替代治疗开辟了新路径。

本研究利用声全息晶格技术(AHL)将原代小鼠肝细胞(PMH)组装成肝形组织，首次系统评估了声全息图案化原代肝细胞的肝脏功能。与 2D 和传统 3D 培养相比，AHL 模型中肝细胞自组装形成大量球体，展现出更强的增殖稳定性和多元肝功能，包括吲哚菁绿(ICG)摄取释放、糖原储存、药物代谢酶(CYP450)活性等。该技术为原代细胞的长期体外培养提供了可靠方案，在疾病机制研究、药物测试及器官替代治疗中具有重要应用潜力。

研究背景

原代细胞因保留体内生物学特性成为研究热点，但传统 2D 培养会导致细胞表型和功能快速丧失，而 3D 模型如类器官存在培养周期短、操作复杂等问题，尤其原代肝细胞的体外长期培养一直是难题。声全息技术作为一种非接触式细胞操控手段，通过声学辐射力实现粒子精准定位，已在材料组装中展现优势，但在细胞功能研究中的应用尚属空白。此外，现有细胞图案化技术多使用永生化细胞系，难以真实模拟生理病理过程。本研究旨在突破上述瓶颈，建立基于 AHL 的原代肝细胞 3D 模型，探索其在肝脏功能维持中的价值。

实验结果

Figure 1：声全息晶格构建功能性肝组织模型

利用改良灌流技术分离原代小鼠肝细胞(PMH)，在自定义培养基中实现 80 代以上长期培养。将 PMH 与 GelMA 水凝胶混合后，通过 AHL 技术在 45 秒内形成肝形结构，细胞沿声学节点分布并自组装成球。功能评估显示，AHL 模型中肝细胞葡萄糖摄取、尿素分泌、ICG 摄取释放等代谢功能均显著优于 2D 和传统 3D 模型，且糖原储存和低密度脂蛋白摄取能力接近体内水平，证实 AHL 技术可维持原代肝细胞的功能性表型。

Figure 2：声全息晶格的声学操控原理

基于角谱理论设计双全息透镜，将 2.25 MHz 平面声波调制成目标声場(如肝形)。计算显示，声場在成像平面形成间距 2.33λ 的声学势阱阵列，5 μm 聚苯乙烯颗粒被捕获于声压极小值处，且声場在 ±2.5 mm 范围内保持准直，确保 3D 结构厚度。实验验证 AHL 可将颗粒组装成曲线轮廓矩阵，并实现垂直方向堆积，为构建具有特定厚度的组织样结构提供了物理基础。

Figure 3：AHL 模型中肝细胞的高存活率与增殖能力

活 / 死染色显示，AHL 模型中肝细胞存活率在 15 天内稳定维持在 96% 以上，显著高于传统 3D 模型(86%-93%)。CCK-8 实验表明，AHL 模型中细胞 14 天增殖达 7.69 倍，较 3D 模型(4.87 倍)和 2D 模型(5 天后衰退)表现出更强的生长优势。免疫荧光显示 AHL 模型中肌动蛋白骨架排列更接近体内肝细胞形态，证实声全息图案化未对细胞生理造成损伤。

Figure 4：AHL 模型增强肝细胞功能相关基因表达

免疫荧光和 qRT-PCR 分析显示，AHL 模型中肝细胞功能蛋白(ALB、AAT、CYP2E1、MRP2)和基因(TRF、CK18、HNF4A)的表达水平均显著高于 2D 和 3D 模型，且最接近新鲜分离的原代细胞。值得注意的是，AHL 模型中增殖相关基因 Ki-67 的表达高于新鲜细胞，表明该技术在维持功能的同时促进了细胞活性，打破了原代肝细胞 “功能维持与增殖难以兼顾” 的瓶颈。

Figure 5：AHL 模型保留肝细胞多元代谢功能

功能检测显示，AHL 模型肝细胞可高效摄取 / 释放 ICG，通过 PAS 染色证实糖原储存功能，且能特异性摄取荧光标记的低密度脂蛋白(DiI-ac-LDL)。代谢分析表明，AHL 模型中尿素合成速率和葡萄糖消耗能力均显著高于对照组，培养上清中白蛋白(ALB)、α1 - 抗胰蛋白酶(AAT)等分泌蛋白浓度在 7 天内维持高水平，证明 AHL 技术可全面保留肝细胞的代谢与分泌功能。

Figure 6：AHL 模型维持细胞色素 P450 酶活性

CYP450 酶系是肝脏药物代谢的核心。实验显示，AHL 模型中肝细胞对乙酰氨基酚、利福平、苯巴比妥等诱导剂的响应显著，CYP1a1、CYP2e1、CYP3a11 等酶基因表达上调幅度高于 2D 和 3D 模型，其中 CYP3a11 在利福平诱导下表达提升最为显著。这表明 AHL 模型不仅保留了药物代谢功能，还能模拟体内肝细胞对药物的诱导响应，为体外药物肝毒性评估提供了更可靠的模型。

实验结论

声全息晶格技术可高效构建具有肝形结构的 3D 原代肝细胞模型，该模型通过声学辐射力诱导细胞自组装成球，显著提升了细胞存活率(96%-98.5%)和增殖能力(14 天增殖 7.69 倍)。机制上，AHL 模型通过维持肝细胞特异性基因(如 ALB、AAT)和功能蛋白(CYP3A11、MRP2)的高表达，保留了 ICG 代谢、尿素合成、糖原储存等核心功能，尤其在药物代谢酶 CYP450 的诱导响应上优于传统模型。动物实验虽未直接开展，但体外功能验证已显示 AHL 技术在肝脏疾病建模和药物筛选中的转化潜力。