加州大學高通量3D生物打印機加快藥物開發(fā)過程

2021年6月10日，南極熊獲悉，加州大學圣地亞哥分校的納米工程師們開發(fā)了一種高通量的生物打印技術(shù)，能夠以極快的速度進行3D打印。它可以在30分鐘內(nèi)制作出96孔的活體組織樣本陣列。研究人員表示，這款快速、大批量生產(chǎn)定制生物組織的3D打印機可以加速臨床前藥物篩選和高通量疾病建模，從而使藥物開發(fā)更迅捷、更省錢。

△高通量3D生物打印

一家制藥公司開發(fā)一種新藥的過程可能需要長達15年，成本高達26億美元。它通常從在試管中篩選數(shù)以萬計的候選藥物開始。成功的候選者將接受動物試驗，任何通過這一階段的候選者將進入臨床試驗。如果幸運的話，這些候選藥物中的一個將作為FDA批準的藥物進入市場。

加州大學圣地亞哥分校開發(fā)的高通量3D生物打印技術(shù)可以加速這一過程的第一步。這將使藥物開發(fā)商能夠迅速積累大量的人體組織，他們可以在這些組織上更快地測試和排除候選藥物。

加州大學圣地亞哥分校雅各布斯工程學院的納米工程教授Shaochen Chen說："通過研究人體組織，你可以獲得更好的數(shù)據(jù)，真正的人體數(shù)據(jù)，了解藥物將如何發(fā)揮作用。我們的技術(shù)能夠以高通量能力、高重現(xiàn)性和高精確度創(chuàng)建這些組織。這確實可以幫助制藥業(yè)迅速確定最有前途的藥物，并以它們?yōu)槟繕恕?這項工作發(fā)表在《Biofabrication》雜志上。

研究人員指出，雖然他們的技術(shù)可能也需要經(jīng)歷動物試驗過程，但它可以將該階段的失敗率降到最低。

此外，Chen實驗室的博士后研究員、該研究的共同第一作者尤尚亭指出："我們在這里開發(fā)的是復雜的3D細胞培養(yǎng)系統(tǒng)，它將更緊密地模仿真實的人體組織，并可望提高藥物開發(fā)的成功率"。

這種技術(shù)不僅在精度方面可以與其他3D生物打印方法相媲美，它還可以打印出具有復雜微觀特征的逼真結(jié)構(gòu)，如含有血管網(wǎng)絡(luò)的人類肝癌組織，而且在速度方面也不會減分。使用Chen的技術(shù)打印一個這樣的組織樣本需要大約10秒鐘，而使用傳統(tǒng)方法打印同樣的樣本需要幾個小時。它還有一個額外的好處，就是可以將樣品直接自動打印到工業(yè)孔板中。這意味著樣品不再需要一次次從打印平臺手動轉(zhuǎn)移到孔板上進行篩選。

Chen說："當你把它擴展到96孔板時，你會發(fā)現(xiàn)在時間上有很大的不同。用傳統(tǒng)方法加上樣品轉(zhuǎn)移時間至少需要96小時，而用我們的技術(shù)總共需要30分鐘。

可重復性是這項工作的另一個關(guān)鍵特征。這種技術(shù)制備的組織是高度組織化的結(jié)構(gòu)，因此它們可以很容易地被復制用于工業(yè)規(guī)模的篩選。Chen解釋說：“這是一種用于藥物篩選的培養(yǎng)器官的新方法。有了器官，你可以混合不同的細胞類型，并允許它們自我組織，形成一個三維結(jié)構(gòu)，這個結(jié)構(gòu)沒有得到很好的控制，會因不同的實驗中有所不同。因此，對于相同的屬性、結(jié)構(gòu)和功能，它們是不可復制的。但通過我們的3D生物打印方法，我們可以準確地指定打印不同細胞類型、數(shù)量和微結(jié)構(gòu)的位置。"

它是如何工作的

為了打印他們的組織樣本，研究人員首先在計算機上設(shè)計生物結(jié)構(gòu)的三維模型。這些設(shè)計甚至可以來自醫(yī)學掃描，因此它們可以為病人的組織進行定制。然后計算機將模型切割成二維快照，并將其傳輸?shù)綌?shù)百萬個微觀大小的鏡子上。每面鏡子都由數(shù)字控制，以這些快照的形式投射出紫光（波長為405nm，對細胞是安全的）的圖案。光線圖案被照射到含有活體細胞培養(yǎng)物和光敏聚合物的溶液上，這些聚合物在光照下會固化。該結(jié)構(gòu)以連續(xù)的方式一次快速打印一層，創(chuàng)造出一個三維固體聚合物支架，包裹住活體細胞，使其成長為生物組織。

數(shù)字控制的微鏡陣列是該打印機高速運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。由于它在逐層打印的同時將完整的二維圖案投射到基材上，它產(chǎn)生三維結(jié)構(gòu)的速度比其他打印方法快得多，后者是用噴嘴或激光逐行掃描每層。

Chen實驗室的學生納米工程專業(yè)的博士HenryHwang指出："打個比方，比較一下用鉛筆和模板畫畫一個形狀的區(qū)別。用鉛筆，你必須畫出每一條線，直到形狀完成。但用模板畫的話，你可以一次性標記出那個形狀。這就是數(shù)字微鏡設(shè)備在我們技術(shù)中的作用。這是速度上的數(shù)量級差異。"

這項最近的工作建立在Chen的團隊在2013年發(fā)明的3D生物打印技術(shù)上。它開始是一個為再生醫(yī)學創(chuàng)造活的生物組織的平臺。以前的項目包括3D打印肝臟組織、血管網(wǎng)絡(luò)、心臟組織和脊髓植入物，僅此而已。近年來，Chen的實驗室已經(jīng)擴大了其技術(shù)的使用范圍，打印珊瑚啟發(fā)的結(jié)構(gòu)，海洋科學家可以用它來研究海藻的生長，并幫助珊瑚礁的恢復項目。