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徐铭恩畅谈当代3D打印与个性化医疗

  感谢大家以及主委会的邀请,我和大家分享一下3D打印和医疗结合的工作。

  首先探讨一下我对未来医疗发展的认识,今年最热的精准医疗,精准医疗和个性化医疗是未来发展的方向。如何做到精准医疗和个性化医疗?

  这是我对精准医疗的认识。首先我们要有一个瞄准装置,现在的瞄准器有哪些?有CT、磁共振、B超。从去年开始有一个很火概念,是基因测序,这些使得我们可以看到目标。

  有了目标是否就可以了呢?还有下面的问题,我们得有子弹,什么是子弹?包括精准和个性化的药物和医疗器械,如果光看到目标了,没有精准和准确的打击方式,依旧做不到精准和个性化的医疗,最重要的是得有战士,谁是精准医疗的战士?主角还是医生、药师和护士,我们做技术的,做互联网支持的,我们更多是对医生以及医务工作者做支持,他们才是前方杀敌的人。这是我的认识。

  在认识的基础上,我讲一下我对3D打印的认识。

  我们认为其实对于医疗数据的采集,比如磁共振,一般的医院都已经有了,现在医院的数据也非常多,但是数据的存储、传输和处理等等很多移动医疗的公司也做了很多工作。但这些数据最终还是要回到可以治疗病人的医疗器械也好,一份精准的药物也好,得回到这个东西上,我们认为在基于前面数字化的数据,3D打印技术是非常好的将链条闭环的技术,可以从患者身上采集的数据最终变成治疗患者的医疗器械或者是精准化药物或者是基因修复技术。

  为什么3D打印可以做到这一点?患者个体差异很大,结构复杂,3D打印技术可以快速地基于数字模型做个性化和复杂结构的制造。当这两者结合之后,可以带来医疗个性化和精准化的时代。3D打印技术从2012年开始很火,什么是生物3D打印?

  首先是生物3D打印的设备,从整个生物3D设备,从2000年初开始发展,最早是美国和德国的,还有清华大学的工作。这些平台大多都是学校里的科研平台,在2012年底的时候,国内和国外顶级的科学家和我们交流,他问,徐教授,是否可以给我们设计一种面向医生和生命科学研究者的设备,使得他操作起来不要这么复杂,不要这么多CAD、机械学的知识。我觉得这个提议非常好,我们做了一系列的设备。

  这是今年成系统化的设备,这里包括了WORK station的设备。围绕3D打印技术,我们做了专门的控制系统,是多功能可扩展的系统,保证医生在医院里进行多功能的扩展。

  另外多喷头系统可以做到同步打印8种材料或者是8种细胞。另外一个是温控系统,最多可以做到零下55度,保证了一些特殊的生物材料可以在设备中进行打印。同时,我们为设备构建了一系列的3D打印的墨盒和智能化的、洁净的工作台,主要是给医生提供一个非常方便和便捷的可用的稳定的系统。

  基于这样的系统可以做什么工作?

  首先,第一块工作还是材料。目前可以用设备做的材料有胚胎干细胞、天然生物医疗、有机高分子材料等等,一些是来自于本身细胞,我们有成系列的商品化的生物材料。

  这是对细胞做的打印,这个图是我们实验室在圈子中比较标杆性的工作,这是我们打印两周的细胞,黑的部分是设计好的血管的通道,可以保证营养物质进去,结构在两周内可以维持得很好,细胞受到分化因子的影响,有我们需要的细胞。

  基于前面的平台我们做第一个尝试,组织器官的个性化的定制。这是用人的脊髓干细胞打印了耳软骨,这在市场上需求比较大。我们只看最小的部分,器官的衰竭。全球每年大概有600万人器官或者是肝脏需要进行器官移植才能存活下去,这个数字在中国是150万人,而中国150万人以去年的数据看,他们能够获得器官的人数不超过15000人,即使捐赠器官之后,还存在自己的免疫系统的问题。

  围绕这个需求,我们做了一系列的尝试,首先尝试了肝脏,中国人长期服用一些药品,包括饮酒,以及乙肝病毒的携带,所以重建肝脏很多。首先要了解肝脏的基本结构,围绕肝单位做了一系列的设计,研究每个单元的结构,最终设计出了一个可以打印的单元结构,有这几点要求:首先细胞在这个过程中活下来,第二生物的功能有,有解毒等。第三,未来可以集成和制作。

  我们做了一系列的研究,具体的数字不做更多的阐述。比如肝脏有一个很重要的功能,比如白蛋白的分泌,3D打印的肝脏,在体外培养8周的时间内,白蛋白都很稳定,都可以证明这是有功能的,而且可以维持的单元结构。在今年10月9日,我们向外发布了第一款的商品化的肝单元,证明可以小批量生产而且有稳定的控制。

  另外还有别的缺损,比如骨骼的缺损等等,借助于3D打印技术,可以构建定制化的植入物的手段,可以根据病人的CT进行重建,围绕重建数据对生物相容性的材料,把它们打印成需要的样子。宏观上的样子可以弥补缺损的部位,微观上可以布上很多通道,保证血管可以均匀地长进去。

  除了个性化的定制人的组织、器官工作以外,3D打印还可以做什么?可以做药物的精准和个性化的筛选。医药企业每年的研发投入非常大,以2014年为例,研发投入是1388亿美金,今年会在1400亿美金左右,带来多少的产出?

  以阿斯利康为例,从1997年到2011年总研发费用投入了590亿美金,研发出了5个通过FDA批准的药物,每个新药花费118亿美金,这个创了一个记录,在去年有一篇很有名的文章,是阿斯利康研究开发者写的文章,总结了阿斯利康过去20年药物开发的历程。这里有一个数据,在这个图上,红色的部分是在动物水平检测出的待测药物对器官的毒性。黄色的部分是对人体水平检测的药物的毒性,以中枢神经系统为例,动物的水平检测出7个(100个中检测出来的),而在人体中这个数字高达34个,其他包括肾脏、肝脏,这说明什么问题?说明在动物水平毒性的检测,包括药物效能的检测,实际上在人身上是有巨大的差异性,药物一旦上临床上,再被枪毙掉,那个损失就很大了。那怎么办?还有另外一篇文章对这个进行了分析,为什么动物模型和人之间53%是无关的,14%是相反的,剩下33%虽然相关,因为动物和人之间的基因上有差异。另外一个技术是高通量筛选,到现在为止已经有20多年了,当年的时候非常期待,感觉对新药的开发带来革命性的改变,但是好象没有什么用,高通量筛选无关的大于99%,我们认为,要想解决这个问题,3D打印提供了一个新手段,我们用人的细胞打印人的肝脏、肾脏以及相应组织,用它进行药物筛选应该能够提高药物筛选的准确度,我们做了一些工作。

  首先,代谢综合症,包括肥胖和糖尿病,在体内,人的营养代谢,包括脂肪酸代谢等等,都是受到脂肪组织和胰岛调控的。我们做的工作是体外重建了这套调控系统,我们打印了人的脂肪组织,进行了诱导,红色的都是脂肪堤,外面是内皮,把胰岛打印进去,然后构建一个系统,相应的数据在这里。无论是胰岛素分泌,还是葡萄糖代谢还是脂肪代谢,还是受阻因子的分泌,这些模型更接近体内,相关数据和体内接近度更高。另外我们做了一系列的数据,比如我们检测了3A4基因(音),和肝脏药物相干,在3D系统中比2D系统高很多,对药物的敏感性和毒性的反应更为准确,现在被默克用了。

  还有肿瘤的模型,首先是肿瘤的清洗和转移,第二是肿瘤的血管化,在我们的模型中,我们发现,比如上面图打印的通道没有肿瘤系统,下面的图有肿瘤系统,结果发现肿瘤系统在通道表面出现了转移过程,这是在体外对系统的重建,还有一系列的基因和酶的表达。比如Bcl—2,这和肿瘤升级有关系,我们这个表达是高表达的。这个不多做解释了。

  另外希望我们可以做在线系统,可以又准确又高通量,我们做了一个系统,同时包含了肝脏和肿瘤,同步检测一个药物对肝脏的损伤和对肿瘤的毒性,但是我们发现还有一个意外的惊喜,我们检测一个药物,需要二次代谢物才能存在。

  关于个性化改进的工作,比如3D打印器官模型,以前在医院做完CT和磁共振是拿了一个片子,医生根据片子的影象数据进行判断,如果我们给医生提供一个三纬的实体,和真实的骨骼一模一样,这对医生很有帮助。另外模拟手术方案,临床教学,医患沟通也很重要,这是我们给波士顿科学做的,大陆地区和香港地区的左心耳(音)的手术,这可以简短手术过程,本来需要40分钟以上,通过这个方式可以降到半小时以内。另外还有3D打印的肢具,还可以3D打印手。

  总结,3D打印技术在有助于实现精准和个性化医疗链条的闭环。

  第二,3D打印涉及多个学科,愿意为不同学科和行业,包括医生和科研工作者提供我们的技术支持,从设备到材料到软件。

  这是我们公司的介绍,我们公司成立于2013年1月份,到现在为止不到三年,我们完成了A轮,估了3个亿,希望我们的工作可以推动医疗的发展,我们有一个重点实验室,大家有兴趣可以和我们合作。

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