哈佛與麻省理工3D打印帶血管的肝臟芯片

據(jù)南極熊了解，日前，結(jié)合了來自哈佛、麻省理工等全球七個機構(gòu)的科學(xué)家團隊的最新肝臟組織研究，科學(xué)家們結(jié)合在3D生物打印、微流體芯片和水凝膠生物支架等多方面的綜合知識將體外肝臟藥物測試推向了另一個高度。3D打印的肝臟芯片用于藥物測試能夠更安全、更可靠的進行，且更適合動物和人類的疾病研究。這項研究的地點集中在哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院和麻省理工學(xué)院的衛(wèi)生科學(xué)和技術(shù)部門。根據(jù)“紐約時報”2015年發(fā)表的數(shù)據(jù)，每5,000種新的藥物成分組合中只有一種能夠通過層層測試最終成為批準上市的藥物。

由Ali Khademhosseini和Su Ryon Shin帶領(lǐng)的科學(xué)家團隊通過人類細胞的培養(yǎng)從而制造出肝臟芯片，這個芯片的特殊之處不僅僅在于使用的是人類的細胞，還在于擁有匹配的血管結(jié)構(gòu)，可以給組織細胞輸送營養(yǎng)。

首先，將人類肝臟細胞（HepG2 / C3A）與凝膠結(jié)合以制成組織結(jié)構(gòu)。將藻類的墨水排列打印成肝臟中的血管，隨后藻類油墨溶解，在凝膠的中心留下中空通道。使用注射器，將臍靜脈內(nèi)皮細胞（HUVEC）泵入中空通道并呈現(xiàn)血管的形狀。引進血流時，通道呈現(xiàn)完全血管化的特征。

然后將該微流體芯片放置在生物反應(yīng)器內(nèi)部，保持細胞生長和增殖的恒定條件。實驗結(jié)果表明，“生物打印血管并與生物反應(yīng)器的集成有助于創(chuàng)建更接近于現(xiàn)實的肝臟芯片，縮小體外和體內(nèi)藥物測試之間的差距。帶血管的肝臟芯片有助于觀察和預(yù)測微循環(huán)水平的藥物毒性機制。

在肝臟器官芯片的商業(yè)化領(lǐng)域，美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）已經(jīng)開始測試一種肝臟芯片。這是一種模擬人類器官生物功能的迷你模型，F(xiàn)DA將測試它是否可以有效地為人體對食物以及食源性疾病的反應(yīng)建模。這些實驗?zāi)軒椭鶩DA決定，醫(yī)藥公司在為可能具有毒性的新化合物（如食品添加劑）提出批準申請時，是否可以用芯片數(shù)據(jù)替代動物試驗數(shù)據(jù)。監(jiān)管機構(gòu)嘗試用器官芯片替代動物試驗，這在全球范圍內(nèi)是首次。

2017年4月11日，F(xiàn)DA食品安全部門的毒理學(xué)高級顧問Suzanne Fitzpatrick在一則博客上公布了FDA的這一動向。雖然這類芯片是被設(shè)計用于測試藥物的，但Fitzpatrick所在的部門也想用它們來試一試單個器官對膳食補充劑和化妝品等產(chǎn)品的反應(yīng)。他們還能用器官芯片來測試食源性病原體影響特定器官的具體過程。FDA的食品安全科學(xué)家們將首先評估人類肝臟芯片，接著會測試腎臟、肺和腸道模型。

這些芯片由位于美國麻省波斯頓市的生物技術(shù)公司Emulate制造。這種迷你器官里包含多種人類肝臟細胞，它們長在支架上。類似血液的液體被源源不斷地泵入這個系統(tǒng)，為細胞輸送營養(yǎng)物質(zhì)并帶走代謝廢物。此外，還可以在芯片中添加免疫系統(tǒng)組分，以測試對肝臟新陳代謝的影響。

時至今日，全世界的科學(xué)家在人工血管、軟骨組織，腎臟、肝臟、皮膚等用于研究和藥物測試的器官3D打印領(lǐng)域取得了不同程度進展。通過3D打印與干細胞培養(yǎng)技術(shù)的結(jié)合正在縮小體外測試與體內(nèi)測試的差距。

人體組織和器官都是數(shù)以萬計的細胞組成的。比如心臟是由比較單一的心肌細胞組成的，而腎臟則細胞種類較多，僅腎小球中就有：血管內(nèi)皮細胞，腎小囊壁層上皮細胞，腎小囊臟層上皮細胞（足細胞），系膜細胞。千里之行始于足下，人體器官3D打印亦不例外，不論構(gòu)成他們的細胞種類有多少，都要從培養(yǎng)細胞做起。

用常規(guī)培養(yǎng)方式培養(yǎng)的細胞，其形態(tài)和功能與人體內(nèi)的細胞并不完全相同。而用使用生物3D打印技術(shù)，可以讓細胞按照預(yù)先的設(shè)計的形狀和細胞之間的聯(lián)系生長，更貼近人體的真實情況，從而達到模擬人體組織和器官的目的。無論是人造血管、軟骨組織，還是肝臟組織、腎臟組織，其核心是特定類型細胞的分離（或定向誘導(dǎo)）及大規(guī)模擴增。

除了哈佛大學(xué)與麻省理工在肝領(lǐng)域的進展，由阿斯頓大學(xué)主導(dǎo)，并由Axol Bioscience公司、漢諾威激光中心、巴塞羅那大學(xué)、光子科學(xué)研究所和KITE Innovation等機構(gòu)共同參與了MESO-BRAIN項目，目標是將使用人類誘導(dǎo)多能干細胞在一種輪廓分明、重現(xiàn)性好的3D支架上分化成神經(jīng)元，以支持可以模擬人類大腦活動的人類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，以提高對包括帕金森病、老年癡呆和大腦 損傷在內(nèi)的諸多腦部疾病的認識和治療。MESO-BRAIN還有望實現(xiàn)大規(guī)�；�于人類細胞的檢測，以測試藥理學(xué)和毒理學(xué)化合物對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)活動的調(diào)節(jié)性影響。3D 支架構(gòu)建出來的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如果用于藥物測試領(lǐng)域，將增加藥物篩選效率、減少動物實驗。

項目組的科研人員表示，3D支架結(jié)構(gòu)是根據(jù)一種基于大腦皮質(zhì)模塊設(shè)計的，制造支架的是納米級3D激光打印技術(shù)，完成支架打印之后再融入納米電極以實現(xiàn)對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電生理分析。MESO-BRAIN項目還計劃使用一種基于光片照明的快速容積成像技術(shù)進行光學(xué)分析，從而在整個3D網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)細胞級的分辨率。

除了用于藥物測試和移植的器官的可能性，3D打印技術(shù)已經(jīng)成功地用于創(chuàng)建骨骼，包括脊椎骨，下頜骨，和整個胸廓，以及軟骨結(jié)構(gòu)，如耳朵和氣管。3D打印技術(shù)未來的應(yīng)用包括3D生物打印的現(xiàn)場，可以幫助在戰(zhàn)場上修復(fù)傷口，而3D打印的皮膚能夠恢復(fù)正常的燒傷，或僅僅是用于美容化妝。

來源：3D科學(xué)谷