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哈佛与麻省理工3D打印带血管的肝脏芯片

发布人:3D打印商情

责任编辑:激光制造商情

来源:3D科学谷

2017-08-22 09:53

    日前,结合了来自哈佛、麻省理工等全球七个机构的科学家团队的最新肝脏组织研究,科学家们结合在3D生物打印、微流体芯片和水凝胶生物支架等多方面的综合知识将体外肝脏药物测试推向了另一个高度。3D打印的肝脏芯片用于药物测试能够更安全、更可靠的进行,且更适合动物和人类的疾病研究。这项研究的地点集中在哈佛大学医学院和麻省理工学院的卫生科学和技术部门。根据“纽约时报”2015年发表的数据,每5,000种新的药物成分组合中只有一种能够通过层层测试最终成为批准上市的药物。 

    由AliKhademhosseini和SuRyonShin带领的科学家团队通过人类细胞的培养从而制造出肝脏芯片,这个芯片的特殊之处不仅仅在于使用的是人类的细胞,还在于拥有匹配的血管结构,可以给组织细胞输送营养。 

    首先,将人类肝脏细胞(HepG2/C3A)与凝胶结合以制成组织结构。将藻类的墨水排列打印成肝脏中的血管,随后藻类油墨溶解,在凝胶的中心留下中空通道。使用注射器,将脐静脉内皮细胞(HUVEC)泵入中空通道并呈现血管的形状。引进血流时,通道呈现完全血管化的特征。 

    然后将该微流体芯片放置在生物反应器内部,保持细胞生长和增殖的恒定条件。实验结果表明,“生物打印血管并与生物反应器的集成有助于创建更接近于现实的肝脏芯片,缩小体外和体内药物测试之间的差距。带血管的肝脏芯片有助于观察和预测微循环水平的药物毒性机制。 

    在肝脏器官芯片的商业化领域,美国食品药品监督管理局(FDA)已经开始测试一种肝脏芯片。这是一种模拟人类器官生物功能的迷你模型,FDA将测试它是否可以有效地为人体对食物以及食源性疾病的反应建模。这些实验能帮助FDA决定,医药公司在为可能具有毒性的新化合物(如食品添加剂)提出批准申请时,是否可以用芯片数据替代动物试验数据。监管机构尝试用器官芯片替代动物试验,这在全球范围内是首次。 

    2017年4月11日,FDA食品安全部门的毒理学高级顾问SuzanneFitzpatrick在一则博客上公布了FDA的这一动向。虽然这类芯片是被设计用于测试药物的,但Fitzpatrick所在的部门也想用它们来试一试单个器官对膳食补充剂和化妆品等产品的反应。他们还能用器官芯片来测试食源性病原体影响特定器官的具体过程。FDA的食品安全科学家们将首先评估人类肝脏芯片,接着会测试肾脏、肺和肠道模型。 

    这些芯片由位于美国麻省波斯顿市的生物技术公司Emulate制造。这种迷你器官里包含多种人类肝脏细胞,它们长在支架上。类似血液的液体被源源不断地泵入这个系统,为细胞输送营养物质并带走代谢废物。此外,还可以在芯片中添加免疫系统组分,以测试对肝脏新陈代谢的影响。  

    时至今日,全世界的科学家在人工血管、软骨组织,肾脏、肝脏、皮肤等用于研究和药物测试的器官3D打印领域取得了不同程度进展。通过3D打印与干细胞培养技术的结合正在缩小体外测试与体内测试的差距。      

    人体组织和器官都是数以万计的细胞组成的。比如心脏是由比较单一的心肌细胞组成的,而肾脏则细胞种类较多,仅肾小球中就有:血管内皮细胞,肾小囊壁层上皮细胞,肾小囊脏层上皮细胞(足细胞),系膜细胞。千里之行始于足下,人体器官3D打印亦不例外,不论构成他们的细胞种类有多少,都要从培养细胞做起。 

    用常规培养方式培养的细胞,其形态和功能与人体内的细胞并不完全相同。而用使用生物3D打印技术,可以让细胞按照预先的设计的形状和细胞之间的联系生长,更贴近人体的真实情况,从而达到模拟人体组织和器官的目的。无论是人造血管、软骨组织,还是肝脏组织、肾脏组织,其核心是特定类型细胞的分离(或定向诱导)及大规模扩增。 

    除了哈佛大学与麻省理工在肝领域的进展,由阿斯顿大学主导,并由AxolBioscience公司、汉诺威激光中心、巴塞罗那大学、光子科学研究所和KITEInnovation等机构共同参与了MESO-BRAIN项目,目标是将使用人类诱导多能干细胞在一种轮廓分明、重现性好的3D支架上分化成神经元,以支持可以模拟人类大脑活动的人类神经网络的发展,以提高对包括帕金森病、老年痴呆和大脑损伤在内的诸多脑部疾病的认识和治疗。MESO-BRAIN还有望实现大规模基于人类细胞的检测,以测试药理学和毒理学化合物对神经网络活动的调节性影响。3D支架构建出来的人工神经网络如果用于药物测试领域,将增加药物筛选效率、减少动物实验。 

    项目组的科研人员表示,3D支架结构是根据一种基于大脑皮质模块设计的,制造支架的是纳米级3D激光打印技术,完成支架打印之后再融入纳米电极以实现对神经网络的电生理分析。MESO-BRAIN项目还计划使用一种基于光片照明的快速容积成像技术进行光学分析,从而在整个3D网络中实现细胞级的分辨率。      

    除了用于药物测试和移植的器官的可能性,3D打印技术已经成功地用于创建骨骼,包括脊椎骨,下颌骨,和整个胸廓,以及软骨结构,如耳朵和气管。3D打印技术未来的应用包括3D生物打印的现场,可以帮助在战场上修复伤口,而3D打印的皮肤能够恢复正常的烧伤,或仅仅是用于美容化妆。