加州大學(xué)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(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(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(zhǔn)的藥物進入市場。

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(fù)雜的3D細(xì)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(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(dāng)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(fù)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(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(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(xué)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(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(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(xué)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(biāo)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(xué)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(xué)家可以用它來研究海藻的生長,，并幫助珊瑚礁的恢復(fù)項目。