加州大學(xué)高通量3D生物打印機(jī)加快藥物開發(fā)過程

2021年6月10日，南極熊獲悉,，加州大學(xué)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(jìn)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(jī)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(dá)15年，成本高達(dá)26億美元,。它通常從在試管中篩選數(shù)以萬計(jì)的候選藥物開始,。成功的候選者將接受動(dòng)物試驗(yàn)，任何通過這一階段的候選者將進(jìn)入臨床試驗(yàn),。如果幸運(yùn)的話,，這些候選藥物中的一個(gè)將作為FDA批準(zhǔn)的藥物進(jìn)入市場(chǎng)。

加州大學(xué)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(cè)試和排除候選藥物。

加州大學(xué)圣地亞哥分校雅各布斯工程學(xué)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(shí)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?biāo),。"這項(xiàng)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(dòng)物試驗(yàn)過程，但它可以將該階段的失敗率降到最低,。

此外,，Chen實(shí)驗(yàn)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?cè)谶@里開發(fā)的是復(fù)雜的3D細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng),，它將更緊密地模仿真實(shí)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(fù)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(huì)減分,。使用Chen的技術(shù)打印一個(gè)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(gè)小時(shí)。它還有一個(gè)額外的好處,，就是可以將樣品直接自動(dòng)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(tái)手動(dòng)轉(zhuǎn)移到孔板上進(jìn)行篩選。

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

可重復(fù)性是這項(xiàng)工作的另一個(gè)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(fù)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(xì)胞類型，并允許它們自我組織,，形成一個(gè)三維結(jié)構(gòu),，這個(gè)結(jié)構(gòu)沒有得到很好的控制，會(huì)因不同的實(shí)驗(yàn)中有所不同,。因此,，對(duì)于相同的屬性、結(jié)構(gòu)和功能,，它們是不可復(fù)制的,。但通過我們的3D生物打印方法，我們可以準(zhǔn)確地指定打印不同細(xì)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(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)生物結(jié)構(gòu)的三維模型,。這些設(shè)計(jì)甚至可以來自醫(yī)學(xué)掃描,，因此它們可以為病人的組織進(jìn)行定制。然后計(jì)算機(jī)將模型切割成二維快照,，并將其傳輸?shù)綌?shù)百萬個(gè)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(duì)細(xì)胞是安全的）的圖案,。光線圖案被照射到含有活體細(xì)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(huì)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(gè)三維固體聚合物支架，包裹住活體細(xì)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(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。由于它在逐層打印的同時(shí)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(shí)驗(yàn)室的學(xué)生納米工程專業(yè)的博士HenryHwang指出："打個(gè)比方，比較一下用鉛筆和模板畫畫一個(gè)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(biāo)記出那個(gè)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(jí)差異,。"

這項(xiàng)最近的工作建立在Chen的團(tuán)隊(duì)在2013年發(fā)明的3D生物打印技術(shù)上。它開始是一個(gè)為再生醫(yī)學(xué)創(chuàng)造活的生物組織的平臺(tái),。以前的項(xiàng)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(shí)驗(yàn)室已經(jīng)擴(kuò)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(xué)家可以用它來研究海藻的生長，并幫助珊瑚礁的恢復(fù)項(xiàng)目,。