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        四家非典型 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』

        2021-05-31 13:07:28
        海外星云 2021年4期
        關(guān)鍵詞:微流墨水打印機(jī)

        Aspect Biosystems的RX1生物打印機(jī)

        在多學(xué)科的融合之下,精準(zhǔn)醫(yī)療正在到來(lái)。作為對(duì)精準(zhǔn)醫(yī)療領(lǐng)域做出直接貢獻(xiàn)的重要角色,分子遺傳學(xué)和生物細(xì)胞學(xué)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(xué)和細(xì)胞生物學(xué)與機(jī)械工程技術(shù)結(jié)合,可以精準(zhǔn)打印出器官模型,用來(lái)加速藥物開(kāi)發(fā)、檢測(cè)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

        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(chēng)“Aspect”)創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Tamer Mohamed說(shuō),“我們不一定要?jiǎng)?chuàng)造出和人體內(nèi)組織(器官)相似的結(jié)構(gòu)。”

        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(jìn)行生物打印,于2013年從不列顛哥倫比亞大學(xué)獨(dú)立出來(lái)。

        “使用微流控技術(shù)進(jìn)行3D打印靈活性極高,”Mohamed舉例說(shuō),采用微流控技術(shù)可以將所有顏色組合起來(lái),通過(guò)工程設(shè)計(jì)技術(shù),實(shí)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(mén)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(kāi)發(fā)一種可實(shí)現(xiàn)胰島B細(xì)胞功能的植入物,以檢測(cè)I型糖尿病患者的葡萄糖指標(biāo),并產(chǎn)生胰島素。

        這種植入物由胰腺細(xì)胞3D打印而成,外面會(huì)包裹一個(gè)保護(hù)層,使其隱藏于異源細(xì)胞之中。這種保護(hù)層必須由非免疫原性材料構(gòu)成,并且需要具有足夠的強(qiáng)韌性以在患者體內(nèi)留存數(shù)年。

        為了制造胰腺細(xì)胞,Aspect已經(jīng)與英屬哥倫比亞大學(xué)細(xì)胞學(xué)與生理科學(xué)教授Timothy Kieffer博士達(dá)成合作,Kieffer博士開(kāi)發(fā)的用干細(xì)胞分化成胰島B細(xì)胞的有效方案將用于Aspect的3D打印之中。

        人類(lèi)多能干細(xì)胞具有分化為不同類(lèi)型的功能細(xì)胞的能力,但這同時(shí)也存在著癌變的風(fēng)險(xiǎn)。因此,Aspect生物打印機(jī)會(huì)把所有需要的材料(細(xì)胞)分開(kāi)放置,確?!痹诔霈F(xiàn)任何差錯(cuò)的時(shí)候,輕松移除細(xì)胞”,阻斷反應(yīng)。

        Mohamed斷言,“我們是全球第一個(gè)、也是唯一一個(gè)將微流控技術(shù)與3D打印結(jié)合用于生物打印的團(tuán)隊(duì)?!?/p>

        “打印器官”:用器官芯片檢測(cè)藥效

        體外“打印器官”是3D打印提高精準(zhǔn)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(lái)測(cè)試風(fēng)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(cè)試項(xiàng)目——FLAMIN-GO。

        其器官芯片可以涵蓋關(guān)節(jié)環(huán)境中滑膜細(xì)胞、白細(xì)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(xì)胞放到器官芯片中測(cè)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公司R-GEN100生物打印機(jī)

        RegenHU正在為該項(xiàng)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(xì)胞活性的同時(shí)提供高重復(fù)性、高精度的打印。

        R-Gen 100有5個(gè)獨(dú)立的插槽,每個(gè)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(jìn)行生物打印時(shí),保持細(xì)胞溫度是至關(guān)重要的?!?/p>

        同時(shí),也可以用不同的擠出技術(shù)對(duì)不同特性的材料進(jìn)行打印。例如,機(jī)械活塞可能最適合粘性材料,而氣動(dòng)打印可以減少剪切力,并能提高微弱細(xì)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(hù)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(hù)正在嘗試構(gòu)建一些非常復(fù)雜的3D細(xì)胞模型,而我們可以根據(jù)客戶(hù)不同的意愿進(jìn)行定制?!?/p>

        3D打印功能性血管

        生物打印機(jī)

        無(wú)論是學(xué)術(shù)研究還是工業(yè)制造,構(gòu)建一個(gè)功能性器官都需要血液的供應(yīng)。

        “每個(gè)不同的組織都有獨(dú)特的細(xì)胞成分”,Advanced Solutions的子公司Advanced Solutions Life Sciences ( ASLS )首席科學(xué)家James ( Jay )Hoying博士說(shuō),“而幾乎每個(gè)組織都有血管,那我們?nèi)绾谓⒛軌蚺c構(gòu)成組織的細(xì)胞協(xié)作的血液供應(yīng)呢?”

        為解決這一問(wèn)題,Hoying 開(kāi)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(xì)胞”。

        Hoying解釋道,脂肪組織是高度血管化的,毛細(xì)血管遍布脂肪床,拿到毛細(xì)血管,并將它們擊碎。當(dāng)這些毛細(xì)血管回到組織環(huán)境中,將仍然具有生長(zhǎng)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(zhǎng),”Hoying指出,對(duì)毛細(xì)血管附近的組織細(xì)胞進(jìn)行生物打印,可以創(chuàng)造出一個(gè)新血管可以生長(zhǎng)為組織的環(huán)境,建立可以供血液流動(dòng)的血管系統(tǒng)。

        他強(qiáng)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(xué)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(kāi)發(fā)了人體腫瘤學(xué)評(píng)估(Human Oncology Personal Evaluation ,HOPE)平臺(tái)。

        將患者的腫瘤復(fù)制出來(lái),再結(jié)合功能性脈管系統(tǒng),對(duì)各種藥物的療效進(jìn)行測(cè)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(xì)胞的脈管系統(tǒng)。對(duì)患者受損骨骼進(jìn)行斷層掃描,設(shè)計(jì)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(jìn)行臨床前測(cè)試。

        ASLS的生物打印機(jī)已在世界各地的實(shí)驗(yàn)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M(fèi)ichael W. Golway表示,“將平臺(tái)移交給可以將整個(gè)職業(yè)生涯都投入到某個(gè)特定器官的科學(xué)家,這是我們的戰(zhàn)略之一?!薄拔覀兊哪繕?biāo)就是為這些科學(xué)家提供加

        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(lài)由自然或者合成的聚合物組成的生物墨水,在打印過(guò)程中維持細(xì)胞活性。根據(jù)打印的具體需求,生物墨水可能需要促進(jìn)細(xì)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(guó)的專(zhuān)利。

        Cellink聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Erik Gatenholm說(shuō):“這一領(lǐng)域要想真正起飛,需要一種可以確??芍貜?fù)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)化材料。”

        堅(jiān)固的、纖維狀的纖維素是支撐軟骨細(xì)胞的理想材料。其他組織類(lèi)型在生物墨水中需要不同的特性,目前,Cellink提供一系列針對(duì)不同細(xì)胞類(lèi)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(xì)胞。

        Gatenholm提到:“我們的生物打印專(zhuān)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(lèi)細(xì)胞提供理想環(huán)境?!蹦壳?,Cellink公司的技術(shù)已經(jīng)覆蓋65個(gè)國(guó)家/地區(qū),為約1800個(gè)實(shí)驗(yàn)室提供打印機(jī)和生物墨水。

        Cellink生物打印機(jī)

        Cellink就開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序與行業(yè)和學(xué)術(shù)界進(jìn)行著緊密的合作,其已與阿斯利康合作開(kāi)展多個(gè)項(xiàng)目,包括用于藥物發(fā)現(xiàn)的生物打印肝臟類(lèi)器官等。這些類(lèi)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(xué)的另一個(gè)項(xiàng)目中,Cellink的生物墨水正被用于人類(lèi)胰腺β細(xì)胞的生物印刷,生物打印的細(xì)胞已經(jīng)成功地生長(zhǎng)為功能性胰島,并能生產(chǎn)胰島素。

        現(xiàn)在,Cellink正在演變?yōu)椤吧锶诤瞎尽?。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(lái)應(yīng)對(duì)醫(yī)療保健方面的挑戰(zhàn)。Gatenholm說(shuō),生物打印腫瘤可以進(jìn)行多種療法的測(cè)試,為了真正了解腫瘤、明白它是如何產(chǎn)生和擴(kuò)散的,需要一種結(jié)合機(jī)器人、人工智能和大數(shù)據(jù)工具的技術(shù)。

        活細(xì)胞數(shù)據(jù)分析工具就是一個(gè)例子,它可以監(jiān)控腫瘤的生長(zhǎng)并預(yù)測(cè)不同篩選化合物的有效性。

        Gatenholm指出:“我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了許多不同的人工智能算法,可以用來(lái)確定腫瘤的生長(zhǎng)速度等?!?/p>

        可見(jiàn),隨著生物制造技術(shù)的進(jìn)步,3D打印的細(xì)胞和器官已經(jīng)從科幻小說(shuō)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

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