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尘埃落定:盘点生物打印领域已获成功的技术

2016-02-26 08:56
flinay
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  在美剧《绝望的主妇》中,迷糊的女主角Sussie曾在一次踩踏事件中稀里糊涂的失去了肾脏。年纪轻轻的Sussie不得不依靠血液透析来维持生命,同时进入了等待肾脏移植的漫长人生。Sussie绝望的眼神让人感到阵阵心酸。不错,仅在美国排队等待肾移植手术的患者名单人数超过10万人,而2015年仅有17108人接受了肾移植手术。每天就有13人因为没有等到肾移植供体而死去。

  捐献器官的短缺以及器官移植之后产生的排异问题,促进了医学界向人工器官领域的探索。3D打印在人工器官探索中占有一席之地。还记得英国未来学家曾经发布的生物3D打印机概念图吗? 图中描述的是一台生物3D打印机正在打印一颗人的心脏。心脏的打印材料主要是人自身的干细胞。然而,使用生物3D打印技术打印出外形和功能逼真的人造器官,并植入人体还没有实现。图片中反应出来的是美好的未来。今天,我们一起分享一下3D打印技术和人工器官之间的那些已经落了地的事儿。

  助力人工器官的研发

  美国范德堡大学医疗中心的肾病专家在十几年前就开启了人工肾脏的研发项目。近日,这个项目已经接近尾声。这个人工肾脏和理想中的与人体天然器官十分接近的生物3D打印肾脏不同。它其实是一个由微芯片和人体细胞组成的混合生物装置,它可以模拟人体肾脏的功能,为人体清洁血液和处理废物。其实,它就像一个可植入人体的微型“血液透析机”。 有了它,血液透析可以在体内自动完成。

  organovo-bioprinting

  最终完成的可植入式的人工肾脏包括微芯片过滤器和活的肾细胞,在每个芯片过滤器上都包含着许多孔,每个孔都作为一个支架支撑着一个活体肾细胞的膜,以此来模拟肾脏的自然功能。心脏输出血液产生的血压,将负责推动血液通过过滤器,所以血液是否能够顺利通过,是非常关键的,需要进行反复验证。3D打印技术承担了这个任务。科学家使用计算机模型来优化设备内部复杂的通道形状以实现平稳的血流,在设计完成后,通过3D打印出原型进行再次验证。 将来植入人体之后能够“存活”多久?是否能够完全恢复肾脏的功能,取代捐献的肾脏?值得期待。

  药物测试和筛选

  罗氏、强生等大型制药公司正在使用3D打印的人工器官进行新药的毒性测试和药物筛选。美国Organovo生物3D打印领域的科学家能够培养出具有功能和活力的人体肝细胞,这些细胞可以保留长达40天的关键肝功能,并已经测试了对乙酰氨基酚药物成分对肝细胞的毒副作用。使用肝脏细胞3D打印的肝脏组织获得了罗氏制药的认可,比动物模型更为有效地模拟人类自然的反应,可以加快药物推向市场。

  Organovo 3D打印的全细胞肾组织,在实验室条件下该肾脏组织可以持续存活至少两周时间。3D打印的全细胞肾组织可以用于医药毒性测试和疗效测试领域,改善现有的测试模型。用于医疗中, 可以对特定疾病在活的肾脏组织内部的活动进行建模,为治疗此类疾病提供实验数据。对于占据主流的单层细胞培养技术来说,生物3D打印肾脏组织是个显著进步。3D肾脏组织的体外耐久性,可以应用在对药物作用进行慢性的、生理学相关剂量的评估。3D肾脏组织的细胞复杂性可以支持对于药物反应的系统检验,包括原本很难或不可能在体外进行的评估,比如管状纤维化和伤后恢复。

  国内的生物3D打印企业,杭州捷诺飞让3D打印人工肝脏走出实验室,首次在国内实现具有稳定功能的3D打印肝脏的批量化生产。这些人工肝脏已经被默克制药集团用于药物筛选技术。理论上人体是药物初步筛选最佳的实验对象,但是在伦理上这样做是行不通的。而用人源细胞3D打印的组织和构建病理模型,能准确反映化学和生物药物在人体内的药理活性,对药物初步筛选有重要意义。

  未来

  虽然这些已经落地的事儿与3D打印出可用于人体移植的器官尚有差距。但是人工器官技术根据患者的身体“就地取材”,既可以避免异体移植出现的排异反应,又有望终结被动等待他人捐献器官的情况,相信你也和中国3D打印网一样对这个领域充满期待。就现阶段而言,用于药物毒性测试的3D打印器官已经体现出实用价值。每一项成果,都让我们距离可移植到人工器官更近了一步。随着生物、医学和3D打印交叉学科的发展,我们期待着可移植的人造器官早日“进入”人类世界。

 

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