科普|给我打印一个器官-Print me an organ

发布者:上普科技 发布时间:2018-08-23 浏览次数:863

目前,英国有5000多人需要一个新的肾脏。在接下来的一年里,经过平均大约30个月的等待后,他们中只有不到一半的人会得到新的肾脏。其余的人将继续等待,可他们不能永远坚持下去: 2016年,457名英国人在等待新肾、新肝、新心脏或新肺的过程中死亡。另有875人由于已经病得无法接受移植手术而从候补名单上被除名。


在实验室中创造整个器官似乎是一个遥远的梦想,但很多专家相信这一天总会到来。

一、打印一个器官

如果科学家们不再依赖稀缺的捐赠器官,而是能够在实验室中快速、廉价地构建健康的新器官,并将患者自身的细胞作为原材料,那会怎样? 在过去的15年里,这个梦想推动了在生物3D打印领域的投资和研究。生物3D打印技术是将生物单元(细胞/蛋白质/DNA等)和生物材料按仿生形态学, 生物结构或生物体功能, 细胞特定微环境等要求用 “三维打印 ”的技术手段制造出具有个性化的体外三维结构模型或三维生物功能结构体。


细胞3D打印

能用这种方法打印出来的组织已经很多了,包括肿瘤、血管和器官组织,以及更简单的结构,如软骨、皮肤和骨骼等。鉴于这些成就,我们很容易理解为什么许多人猜测未来可以生物3D打印所有器官。


细胞打印结构

二、活的细胞和器官真的可以打印么?

细胞在打印过程中必然承受机械剪切力的影响,控制不好就会导致细胞死亡,这其中充满了技术挑战。生物3D打印企业SunP Biotech(上普博源)的创始人,《Biofabrication》杂志主编孙伟教授表示:“技术的关键是尽量减少细胞在打印过程中受到的损害,并在打印后形成稳定的三维结构。”他指出,问题在于这两个标准经常冲突。许多生物墨水是活细胞和水凝胶的混合物,水凝胶是高度吸收性的聚合物网络,如明胶或海藻酸盐。在打印过程中,水凝胶有助于保护细胞免受过度剪切应力的影响,但在结构上是脆弱的。在混合物中加入更强的合成聚合物,可以更容易地生成多层结构,从而保持其形状。此外,通过物理和化学方法的交联,或“固化”,水凝胶打印后可以提高其机械强度。

而这仅仅是生物3D打印技术挑战的第一步,从所用的生物墨水是否能够被打印?到打印后能否构建3D结构?以及细胞能否存活?是否能实现组织功能?等的每一步都充满了挑战,而且面临的是先进制造,材料学,生物学,医学和信息学的跨学科交叉挑战。

然而,众多生物3D打印领域的科学家通过多年的合作和探索,正在解决这样的难题。孙伟教授和他的同事通过开发在不同温度下工作的打印机来解决这个问题,这样用户就可以通过改变环境条件来调整他们的生物墨水的粘度。他们还制造了具有多喷嘴的打印机,针对不同类型的细胞和传输介质进行了优化。其他一些团队则专注于非挤压式生物打印机:创业公司Poietis开发了一种商业生物打印机,利用激光选择性地将生物墨水从基底上引导到平台上。不过,孙伟教授希望通过将生物打印机商业化,来引导更多的不同学科的研究人员参与到这项充满期待的技术中去。他提到,“我们需要生物学家加入这个团体,我们需要他们知道打印更复杂的组织结构可以帮助他们,让他们不只是关注二维培养皿。”

立式细胞3D打印机

全球第一个生物3D打印上市公司Organovo的创始科学家Gabor Forgacs教授提到,打印机并不是生物打印领域唯一需要研发的方面。他表示生物学要复杂得多,最难的部分是开发出适合的生物墨水,然后让它们“做它们需要做的事情,成为活组织”。他以血管为例,它们的形状看似简单,较大的血管(直径为50到100微米)可以通过挤压型的生物3D打印机制造。即便如此,新打印出来的血管也不能像天然血管一样正常工作。相反,它的细胞必须首先接受“训练”,在模拟血流的生物反应器中处理高流体压力,使它们以正确的方式组织起来:内部的内皮细胞,最靠近血流;接下来是平滑肌细胞,给血管弹性;然后是外面的成纤维细胞。

桌面级细胞3D打印机

三、充满希望的应用


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药检

除了打印完整的器官用于移植以外。生物3D打印一个很重要的应用就是,新药研发和药检测试。它使得开发新的药物治疗方法变得更容易、更便宜。在传统的“新药研发”方法的早期阶段,生物医学研究人员测试了数千种化学物质,以确定它们对细胞或组织样本的影响。只有最理想的命中靶点的药物才会被选择出来进行进一步的研究。即使在这个淘汰过程之后,失败率仍然很高:在临床前试验中仅有的一小部分中,只有五千分之一被批准用于临床。化合物有害或无效只有在动物或人体实验中得出结果,这样的后期的失败尤其昂贵,平均超过10亿英镑的成本的投入才可能换来一种新药的上市。

药物开发后期失败的原因各不相同,但其中一个因素是,大部分工作是在二维细胞培养中完成的。这些系统便宜、完善,并且被医学研究人员广泛了解。唯一的问题是,二维组织切片的情况与三维的老鼠或人体内的情况大不相同。在2D培养基中形成的结构很简单,细胞片层不会吸收营养物质,也不会像细胞群那样排出废物。在最便宜、最快速的药物测试中,目标细胞会与其他组织分离,包括与之共存的活组织。Forgacs教授说 “二维的细胞基本上不会相互通信,它们根本不能代表一个三维的物体。”

为了给药物测试创造一个更加现实,但仍然具有成本效益的环境,一些研究人员利用3D打印技术创建了复杂的三维生物学结构,并在药物测试方面取得了良好的效果。


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肿瘤

打印生理和解剖功能都接近体内的三维肿瘤模型也是生物3D打印的一项重要应用。传统上,肿瘤学研究要么采用2D方式,要么直接采用动物模型,3D打印的组织模型可以减少用于医学研究的动物数量,除此之外还可以用于临床研究。例如,利用病人自己的细胞打印出病人自己的原代肿瘤模型,可以使医生针对病人的肿瘤特征,开发个性化的抗肿瘤药物治疗方案,达到精准医疗的目的。

3D打印肿瘤细胞

3 组织/器官

近年来,生物3D打印骨,软骨和皮肤的案例屡见不鲜,更复杂的组织器官虽然还不能进行全器官的打印,但各种具有组织功能的生物块已可以进行打印。哈佛大学的Jennifer Lewis教授近年来致力于创造更厚的组织。其下一步的目标是通过生物3D打印血管化的组织(1厘米厚,一英寸长)。她表示,在这种情况下,我们使用的细胞是间充质干细胞,它可以分化成骨骼、肌肉或脂肪。我们利用这些厚组织内部的脉管系统来提供生长因子和其他物质,这些物质不仅能使细胞存活,而且还能帮助规划它们的分化。30天后,这些细胞开始转变为骨骼:它们沉积自己的胶原膜,并开始沉积矿物质-磷酸钙,天然骨骼中应有的物质。”


3D打印胚胎干细胞


3D打印骨支架

可憧憬的未来

我们都在讨论着长生不老的那一天,也许那一天离我们真的不再遥远,我们随意的走进医院告诉医生,给我打印一个器官。

注:本文主要整理和改编于英国IOP旗下杂志Physics World编辑Margaret Harris在2018年的一篇产业专访,文中采访了众多生物3D打印行业内国际上优秀的科学家和企业家,是对器官打印的一个很好思考和行业现状分析。限于篇幅,小编整理了部分供大家参考,感兴趣的朋友可以点击阅读英文原文。

参考文献:Print me an organ on 2018 Physics World

原文链接:https://physicsworld.com/a/print-me-an-organ/