人們可以3D生物打印眼角膜嗎？

導讀：角膜病是繼白內障和青光眼之后的第三大致盲原因。據(jù)估計，世界上約有500萬人雙側角膜失明，另有2300萬人是單側失明。角膜移植是治療各種角膜相關病癥的標準做法，如纖維化、潰瘍、角膜炎等。但角膜移植的費用很高，且極易出現(xiàn)移植失敗和個體排斥的問題。近年來，生物制造技術正在獲得研究者們的大量關注，因為它們有可能直接分層組裝三維（3D）生物結構，用于各種生物醫(yī)學和臨床應用的組織制造。其中，3D生物打印，已被廣泛研究，可用于制造角膜替代品。



2022年7月，南極熊獲悉，Bangalore Bioinnovation Centre的研究者們討論了可應用于角膜制造的3D生物打印技術，他們的研究已經(jīng)發(fā)表在《Bioprinting》上，題目為《Print me a cornea - Are we there yet?》。

背景
角膜是眼睛最外層的透明保護組織，它將光線傳輸和折射到視網(wǎng)膜上，從而感知光線。這是通過其獨特的球形前部結構實現(xiàn)的，該結構對總屈光力的貢獻約為80%。角膜是一個高度專業(yè)化的結構，主要由1型膠原蛋白（Col I）組成。膠原纖維相互平行排列，與隨后各層的膠原纖維成直角，這賦予了角膜獨特的結構特征，使其具有一定的機械強度和透明度。角膜可分為三個不同的層--上皮層、基質層和內皮層。


△眼部結構

據(jù)估計，約有1300萬名患者需要進行角膜移植，但在受影響的人群中，只有1/70的人得到健康的個人捐贈組織進行移植。此外，角膜移植的等待時間可能在1-24個月之間。為了解決這些局限性，角膜移植(KPro)，即切除受傷的角膜，用合成的人工角膜代替，已被廣泛用于替代角膜移植，以治療嚴重的眼部疾病。然而，除了其復雜的設計和繁雜的手術程序外，人工角膜的臨床使用還會產(chǎn)生一定的并發(fā)癥和主要風險因素，包括慢性炎癥、角膜板層的退化和角膜熔化。

增材制造與傳統(tǒng)的減材制造不同，在傳統(tǒng)的減材制造中，材料被移除以形成最終結構，增材制造可以對材料進行分層沉積以形成最終結構。三維生物打印是增材制造的一個多學科分支，重點是制造活體組織。

角膜3D生物打印
近年來，各種生物打印和生物制造方法已被研究用于制造人工角膜的替代品。然而，最常采用的方法是基于擠壓的打印和基于光的生物打印。

1.擠壓式生物打印


△擠壓式生物打印

擠壓式生物打印是生物打印中最常用的技術，因為它與各種再生醫(yī)學應用中使用的可注射水凝膠系統(tǒng)兼容。在這種方法中，預聚合的生物材料被擠壓到打印平臺上，使用加壓空氣系統(tǒng)進行逐層擠壓。



△可生物降解藥物輸送系統(tǒng)

最近的一項研究在設計和開發(fā)一種隱形眼鏡式的可生物降解藥物輸送系統(tǒng)時，采用了基于擠壓的生物打印機，可能用于治療干眼癥患者。在這種方法中，研究人員使用以甲基丙烯酸明膠（GelMA）/透明質酸（HA）為基體的生物墨水進行3D打印，并通過紫外線交聯(lián)產(chǎn)生生物相容性的構建體，用于控制釋放一種抗生素（托布拉霉素）。結果顯示，該構建體在第14天后仍然保留了約40-50%的質量，從而展示了此款高度可擴展的藥物釋放系統(tǒng)的前景，用于治療各種眼部疾病，包括干眼。


2.基于光的生物打印



基于光的3D生物打印主要包括DLP打印、基于SLA的打印和激光輔助打印（LAP）。在基于光的打印中，光的精確投射使材料聚合，具有很高的打印分辨率、準確性和速度。由于其具有相對溫和的打印條件，所以這項技術對細胞友好，因此，適合打印具有高細胞活力的活細胞。

●基于DLP的生物打印技術已被用于制造高通量制造角膜干/祖細胞（LSC）。研究人員已經(jīng)開發(fā)了兩種與基于DLP的生物打印兼容的生物墨水，一種是基于GelMA的，另一種是來自HA的，以產(chǎn)生微觀的水凝膠支架。

●SLA是另一種有前景的基于光的生物打印，已被用于角膜基質的再生。研究人員利用可見光介導的SLA和GelMA作為生物墨水，制造出類似于角膜基質的解剖學上的圓頂形結構。最終的打印結構具有良好的機械性能和透光性，可與原生角膜基質組織相媲美。

●LAP已被用于制造角膜上皮和角膜基質。在LAP中，激光束為能量源，可將生物墨水沉積在生物相容性表面上。研究人員已經(jīng)開發(fā)了基于重組人層粘連蛋白和Col I的生物墨水。此外，人類胚胎干細胞衍生的角膜緣上皮干細胞（hESC-LESCs）可被用來制造類似角膜上皮的分層結構，而hAdMSCs被用來制造分層的角膜基質等等價物。兩種類型的細胞在打印后都表現(xiàn)出良好的細胞活力，并保持了角膜細胞的形態(tài)特征。

總結與展望



三維生物打印作為一種關鍵的生物制造技術，是一個非常有前景的技術，可用于制造工程化的角膜組織等價物，以解決一些臨床適應癥，包括穿透性角膜成形術、前板層角膜成形術和內皮角膜成形術。角膜的生物制造已經(jīng)得到了明智的探索，它是一個相對簡單的多層組織。作為角膜最復雜和最困難的組成部分，基質是各種生物打印技術的目標。

制造的基質替代物必須具有足夠的機械特性，約為 300 kPa，與天然組織的機械特性相當。此外，支架降解的速度必須與基質組織的體內周轉率一致，基質才能成功重建。另一個重要的考慮因素是生物制造的結構在其體內壽命過程中不應引起任何顯著的炎癥反應。生物打印結構必須與宿主組織順利融合并促進神經(jīng)再支配，因為這對于基質的營養(yǎng)支持是必要的。

從生物材料的角度來看，由天然聚合物制成的水凝膠可以注入合成微纖維支架中。雖然水凝膠成分促進細胞粘附和增殖，但微纖維網(wǎng)格狀結構刺激基質膠原蛋白的有序沉積，這對于角膜組織的再生至關重要。這種結構還提供了良好的光學和機械性能。

此外，由于角膜基質干細胞 (CSSC) 在本質上是同種異體的，它們增加了觸發(fā)宿主免疫反應和移植排斥的可能性。在角膜生物打印方面，在生物墨水中加入外泌體可以構建相關的角膜類似物，這些角膜類似物可用作體外模型來研究疾病病理生理學和測試新藥物，或用于體內臨床移植。

作者預計，通過工程師、科學家和臨床醫(yī)生之間的協(xié)調努力，組織再生和生物打印技術已經(jīng)取得了快速的進步，預計十年，將實現(xiàn)臨床相關的全層角膜等效物的制造。他們認為，完整的臨床前評估、臨床評估和監(jiān)管許可最終將為生物打印角膜打開大門，以使數(shù)百甚至數(shù)百萬患有各種眼表病的人恢復視力。


原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.bprint.2022.e00227