在多學科的融合之下,精準醫(yī)療正在到來。作為對精準醫(yī)療領(lǐng)域做出直接貢獻的重要角色,分子遺傳學和生物細胞學在 3D 生物打印方面也發(fā)揮著重要作用。
在 3D 生物打印中,分子遺傳學和細胞生物學與機械工程技術(shù)結(jié)合,可以精準打印出器官模型,用來加速藥物開發(fā)、檢測藥物療效以及作為可植入的組織或器官等。
全球首家微流控 + 3D 生物打印公司
“相比結(jié)構(gòu),我們更注重功能?!盇spect Biosystems(下稱 “Aspect”)創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官 Tamer Mohamed 說,“我們不一定要創(chuàng)造出和人體內(nèi)組織(器官)相似的結(jié)構(gòu)?!?/p>
Aspect Biosystems 是加拿大一家 3D 生物打印公司,采用微流控技術(shù)(一種精確控制和操控微尺度流體的技術(shù))進行生物打印,于 2013 年從不列顛哥倫比亞大學獨立出來。
“使用微流控技術(shù)進行 3D 打印靈活性極高,”Mohamed 舉例說,采用微流控技術(shù)可以將所有顏色組合起來,通過工程設(shè)計技術(shù),實現(xiàn)生物打印。為了將豐富的顏色應(yīng)用到生物打印中,設(shè)備的微流控打印頭采用集成的閥門系統(tǒng),可以精確控制不同顏色或材料的出料順序。
除了精確構(gòu)建人體器官模型,Aspect 生物打印的模型也具有特定的功效。
該公司正在開發(fā)一種可實現(xiàn)胰島 B 細胞功能的植入物,以檢測 I 型糖尿病患者的葡萄糖指標,并產(chǎn)生胰島素。
這種植入物由胰腺細胞 3D 打印而成,外面會包裹一個保護層,使其隱藏于異源細胞之中。這種保護層必須由非免疫原性材料構(gòu)成,并且需要具有足夠的強韌性以在患者體內(nèi)留存數(shù)年。
為了制造胰腺細胞,Aspect 已經(jīng)與英屬哥倫比亞大學細胞學與生理科學教授 Timothy Kieffer 博士達成合作,Kieffer 博士開發(fā)的用干細胞分化成胰島 B 細胞的有效方案將用于 Aspect 的 3D 打印之中。
人類多能干細胞具有分化為不同類型的功能細胞的能力,但這同時也存在著癌變的風險。因此,Aspect 生物打印機會把所有需要的材料(細胞)分開放置,確保 “在出現(xiàn)任何差錯的時候,輕松移除細胞”,阻斷反應(yīng)。
Mohamed 斷言,“我們是全球第一個、也是唯一一個將微流控技術(shù)與 3D 打印結(jié)合用于生物打印的團隊?!?/p>
“打印器官”:用器官芯片檢測藥效
體外 “打印器官” 是 3D 打印提高精準醫(yī)療水平的另一種方式。
瑞士生物打印公司 RegenHU 正在研發(fā)器官芯片,并用器官芯片來測試風濕性關(guān)節(jié)炎藥物的療效。該公司已經(jīng)加入由歐盟資助的新藥測試項目 ——FLAMIN-GO。
其器官芯片可以涵蓋關(guān)節(jié)環(huán)境中滑膜細胞、白細胞、血管、軟骨、骨骼等很多不同因素之間的相互作用,“可以把患者自身細胞放到器官芯片中測試,找出最適合患者的藥物,”RegenHU 首席執(zhí)行官 Simon MacKenzie 博士表示。
RegenHU 正在為該項目定制 3D 打印設(shè)備和軟件系統(tǒng),并為研究人員提供培訓(xùn)和技術(shù)支持。該公司最新的打印設(shè)備 R-Gen 100 可以在保持細胞活性的同時提供高重復(fù)性、高精度的打印。
R-Gen 100 有 5 個獨立的插槽,每個插槽可以加入不同的材料且能分別設(shè)置不同溫度。MacKenzie 表示,“進行生物打印時,保持細胞溫度是至關(guān)重要的?!?/p>
同時,也可以用不同的擠出技術(shù)對不同特性的材料進行打印。例如,機械活塞可能最適合粘性材料,而氣動打印可以減少剪切力,并能提高微弱細胞的存活性。靈活性和系統(tǒng)的高精度結(jié)合在一起,可以使用戶創(chuàng)造出由多種材料構(gòu)成的復(fù)雜 3D 結(jié)構(gòu)。
MacKenzie 提到,“我們的許多客戶正在嘗試構(gòu)建一些非常復(fù)雜的 3D 細胞模型,而我們可以根據(jù)客戶不同的意愿進行定制?!?/p>
3D 打印功能性血管
無論是學術(shù)研究還是工業(yè)制造,構(gòu)建一個功能性器官都需要血液的供應(yīng)。
“每個不同的組織都有獨特的細胞成分”,Advanced Solutions 的子公司 Advanced Solutions Life Sciences (ASLS) 首席科學家 James (Jay) Hoying 博士說, “而幾乎每個組織都有血管,那我們?nèi)绾谓⒛軌蚺c構(gòu)成組織的細胞協(xié)作的血液供應(yīng)呢?”
為解決這一問題,Hoying 開發(fā)了一種用脂肪組織生成血管的方式 ——Angiomics,“拿到脂肪,然后去除脂肪細胞”。
Hoying 解釋道,脂肪組織是高度血管化的,毛細血管遍布脂肪床,拿到毛細血管,并將它們擊碎。當這些毛細血管回到組織環(huán)境中,將仍然具有生長為較大血管的能力。
“血管可以像在體內(nèi)一樣在培養(yǎng)皿中生長,”Hoying 指出,對毛細血管附近的組織細胞進行生物打印,可以創(chuàng)造出一個新血管可以生長為組織的環(huán)境,建立可以供血液流動的血管系統(tǒng)。
他強調(diào),在腫瘤模型的構(gòu)建中,脈管系統(tǒng)是非常重要的,“要在體外盡可能多地捕捉腫瘤生物學信息,血液的供應(yīng)很重要?!?/p>
ASLS 把 Angiomics 和六軸 3D 打印硬件系統(tǒng)相結(jié)合,開發(fā)了人體腫瘤學評估(Human Oncology Personal Evaluation ,HOPE)平臺。
將患者的腫瘤復(fù)制出來,再結(jié)合功能性脈管系統(tǒng),對各種藥物的療效進行測試,找出最適合患者的治療方案。
另外,ASLS 也在研發(fā) 3D 生物打印的可供移植的骨骼,其帶有患者自身細胞的脈管系統(tǒng)。對患者受損骨骼進行斷層掃描,設(shè)計出與患者解剖結(jié)構(gòu)完全匹配的 3D 生物打印替代骨。目前,BioBone 正在進行臨床前測試。
ASLS 的生物打印機已在世界各地的實驗室中用于制造皮膚、角膜、胰腺和其他身體結(jié)構(gòu)。
ASLS 首席執(zhí)行官 Michael W. Golway 表示,“將平臺移交給可以將整個職業(yè)生涯都投入到某個特定器官的科學家,這是我們的戰(zhàn)略之一。” “我們的目標就是為這些科學家提供加快生物打印從研發(fā)到臨床應(yīng)用的平臺?!?/p>
第一家商業(yè)化 “通用生物墨水” 的公司
所有這些 3D 打印現(xiàn)象都要依賴由自然或者合成的聚合物組成的生物墨水,在打印過程中維持細胞活性。根據(jù)打印的具體需求,生物墨水可能需要促進細胞黏附、增殖或分化。
2016 年,Cellink 成為第一家將 “通用生物墨水” 商業(yè)化的公司。并且,其基于纖維素合成的生物墨水在去年獲得了美國的專利。
Cellink 聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官 Erik Gatenholm 說:“這一領(lǐng)域要想真正起飛,需要一種可以確??芍貜?fù)進行數(shù)據(jù)收集實驗的標準化材料。”
堅固的、纖維狀的纖維素是支撐軟骨細胞的理想材料。其他組織類型在生物墨水中需要不同的特性,目前,Cellink 提供一系列針對不同細胞類型的定制生物墨水,包括皮膚、骨骼、胰腺、血管組織和其他結(jié)構(gòu)的細胞。
Gatenholm 提到:“我們的生物打印專家把自然生物成分與合成成分按照特定配比混合,為不同的人類細胞提供理想環(huán)境。” 目前,Cellink 公司的技術(shù)已經(jīng)覆蓋 65 個國家 / 地區(qū),為約 1800 個實驗室提供打印機和生物墨水。
Cellink 就開發(fā)應(yīng)用程序與行業(yè)和學術(shù)界進行著緊密的合作,其已與阿斯利康合作開展多個項目,包括用于藥物發(fā)現(xiàn)的生物打印肝臟類器官等。這些類器官由層粘連蛋白基生物墨水打印而成,可幫助創(chuàng)建自然的微環(huán)境以支持組織形成。
在烏普薩拉大學的另一個項目中,Cellink 的生物墨水正被用于人類胰腺 β 細胞的生物印刷,生物打印的細胞已經(jīng)成功地生長為功能性胰島,并能生產(chǎn)胰島素。
現(xiàn)在,Cellink 正在演變?yōu)?“生物融合公司”。除生物打印設(shè)備和生物墨水外,還集成了更廣泛的技術(shù)來應(yīng)對醫(yī)療保健方面的挑戰(zhàn)。Gatenholm 說,生物打印腫瘤可以進行多種療法的測試,為了真正了解腫瘤、明白它是如何產(chǎn)生和擴散的,需要一種結(jié)合機器人、人工智能和大數(shù)據(jù)工具的技術(shù)。
活細胞數(shù)據(jù)分析工具就是一個例子,它可以監(jiān)控腫瘤的生長并預(yù)測不同篩選化合物的有效性。
Gatenholm 指出:“我們已經(jīng)開發(fā)了許多不同的人工智能算法,可以用來確定腫瘤的生長速度等?!?/p>
可見,隨著生物制造技術(shù)的進步,3D 打印的細胞和器官已經(jīng)從科幻小說變?yōu)楝F(xiàn)實。
原文標題:4家非典型3D生物打印公司解讀:除了復(fù)制外殼,更需要功能性「內(nèi)核」
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