生物3D打印技術(shù)開發(fā)的多器官微流控芯片，可應(yīng)用于藥物測試領(lǐng)域

新藥研發(fā)過程中的藥物毒,、副作用測試是生物3D打印器官或組織最早體現(xiàn)出商業(yè)價值的領(lǐng)域。在這個領(lǐng)域中,，Organovo 等生物3D打印科技企業(yè)通過生物3D打印機和含有生長因子及人體細(xì)胞的特殊“生物墨水” 陸續(xù)開發(fā)了用于藥物測試的3D打印腎臟組織,、肝臟組織、皮膚組織,，這些應(yīng)用已逐漸走向商業(yè)化,。

近年來，美國北卡羅來納州維克森林再生醫(yī)學(xué)研究所（WFIRM）等科研機構(gòu)的科學(xué)家們,，將類似的生物3D打印技術(shù)與微流控芯片相結(jié)合,，研發(fā)在藥物測試領(lǐng)域具有應(yīng)用價值的多器官微流控芯片。這類帶有多器官的微流控芯片與單一的3D打印器官/組織相比具有什么優(yōu)勢,？ 生物3D打印技術(shù)在此過程中發(fā)揮了什么作用,？

三種生物墨水打印出芯片中的三種器官
WFIRM等科研機構(gòu)的科學(xué)家近日在 Scientific Reports 期刊中發(fā)表了題為 Multi-tissue interactions in an integrated three-tissue organ-on-a-chip platform的研究論文。研究團隊在論文中指出,，有些藥物經(jīng)過長期的臨床前試驗和臨床試驗之后,，仍會由于之前未預(yù)測到的毒副作用而被食品藥品監(jiān)督機構(gòu)召回。而出現(xiàn)這些情況的其中一個原因是,，在藥物研發(fā)時缺乏一些能夠準(zhǔn)確概括人類器官的正常組織功能及其對藥物化合物反應(yīng)的模型系統(tǒng),。

圖片來源：Scientific Reports

人體中每個器官或組織都不是獨立存在的，它們均處于人體內(nèi)一種高度集成,、動態(tài)交互的環(huán)境當(dāng)中,，其中一個組織的動作將會影響到與之相關(guān)的其他組織。在這一背景下,，WFIRM等科研機構(gòu)的科學(xué)家們設(shè)計了一種具有肝臟,、心臟和肺組織結(jié)構(gòu)的多器官芯片系統(tǒng)。通過這一多器官微流控芯片系統(tǒng),，研究團隊觀察到依賴于組織間相互作用的藥物反應(yīng),，并描述了多組織芯片系統(tǒng)在目標(biāo)藥物毒、副作用體外測試中的價值,。

圖片來源：Scientific Reports

研究團隊的目標(biāo)是研發(fā)出一個具有灌注驅(qū)動的,、功能強大的多器官芯片系統(tǒng)。這一芯片系統(tǒng)的大致設(shè)計方式是,，將單個組織構(gòu)建體容納在由常規(guī)聚二甲基硅氧烷（PDMS）軟光刻和模塑形成的模塊化微反應(yīng)器中,。該系統(tǒng)可連續(xù)串聯(lián)連接，并可以支持在將來的研究中將整合更多的器官組織整合到芯片系統(tǒng)中。

由于芯片中的心臟,、肝臟和肺組織具有不用的制造要求,，研究團隊使用生物3D打印機和不同成分的“生物墨水” 分別制造三種組織。例如,，芯片中的肝臟類器官的生物墨水是由原代人體肝臟細(xì)胞,、星狀細(xì)胞和庫普弗細(xì)胞等材料構(gòu)成的，而心臟組織的生物墨水是由誘導(dǎo)多功能干細(xì)胞等材料構(gòu)成的,。在打印完成后,，研究團隊使用ECM衍生的生物墨水或朊蛋白和明膠生物蛋白將這些組織轉(zhuǎn)移到芯片的微反應(yīng)器中。肺組織是在具有類似因子的微反應(yīng)器中制造的,，其中具有固定的半多孔膜,、肺成纖維細(xì)胞、上皮細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞,。

在完成三種組織的生物3D打印之后,，研究團隊將裝置密封并連接到循環(huán)灌注系統(tǒng)。芯片中的流體由微蠕動泵進行驅(qū)動,。

圖片來源：Scientific Reports

論文的作者之一Aleks Skardal 表示,，這一多器官芯片在用于藥物測試時所體現(xiàn)出來的一個顯著的價值是，除了體現(xiàn)出藥物對于目標(biāo)治療器官的副作用之外,，還能夠體現(xiàn)出藥物對于其他器官的副作用,。例如，當(dāng)這個多器官芯片被用于測試癌癥治療藥物時,，研究團隊可以同時測試出藥物對于肺和心臟的副作用,。

研究人員同時指出，多器官芯片系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域是藥物測試,，如果這類具有多器官的微流控芯片系統(tǒng)應(yīng)用于新藥的藥物測試領(lǐng)域,，將有望在藥物開發(fā)過程的早期識別藥物的毒、副作用,，提高新藥研發(fā)的成功率,、節(jié)省研發(fā)費用。此外,，該系統(tǒng)在個性化醫(yī)療領(lǐng)域有一定的應(yīng)用價值,，例如幫助醫(yī)生預(yù)測個體患者對于治療方式的反應(yīng)。

人體器官芯片（organs-on-a-chip）是近幾年發(fā)展起來的一種新興前沿交叉學(xué)科技術(shù),，它以前所未有的方式見證機體的多種生物學(xué)行為,，在新藥發(fā)現(xiàn)、疾病機制和毒性預(yù)測等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景,。在這個領(lǐng)域中的微流控芯片技術(shù)(Microfluidics)則是把生物,、化學(xué),、醫(yī)學(xué)分析過程的樣品制備、反應(yīng),、分離,、檢測等基本操作單元集成到一塊微米尺度的芯片上， 自動完成分析全過程,。由于它在生物,、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的巨大潛力,，已經(jīng)發(fā)展成為一個生物,、化學(xué),、醫(yī)學(xué),、流體、電子,、材料,、機械等學(xué)科交叉的嶄新研究領(lǐng)域。

根據(jù)市場研究,，3D打印技術(shù)與微流控芯片的結(jié)合點,，除了WFIRM研究團隊在制造多器官芯片中三種不同組織時所使用的生物3D打印技術(shù)，還有另外一類具有潛力的應(yīng)用,，即：通過3D打印設(shè)備直接制造微流控芯片,。

3D打印技術(shù)在制造具有復(fù)雜特征和一體化集成的微流體系統(tǒng)方面具有優(yōu)勢。歐洲的Lithoz ,、國內(nèi)的摩方材料等3D打印企業(yè)已在微流控芯片制造領(lǐng)域進行了探索,。 Lithoz 公司使用是陶瓷3D打印技術(shù)，摩方材料使用的是具有微納尺度的面投影微立體光刻3D打印技術(shù),。目前,，3D打印技術(shù)主要應(yīng)用在微流控芯片的設(shè)計與研發(fā)階段。

來源：3D科學(xué)谷
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