人們可以3D生物打印眼角膜嗎？

導(dǎo)讀：角膜病是繼白內(nèi)障和青光眼之后的第三大致盲原因,。據(jù)估計(jì)，世界上約有500萬(wàn)人雙側(cè)角膜失明,，另有2300萬(wàn)人是單側(cè)失明,。角膜移植是治療各種角膜相關(guān)病癥的標(biāo)準(zhǔn)做法，如纖維化,、潰瘍,、角膜炎等。但角膜移植的費(fèi)用很高,，且極易出現(xiàn)移植失敗和個(gè)體排斥的問(wèn)題,。近年來(lái)，生物制造技術(shù)正在獲得研究者們的大量關(guān)注,，因?yàn)樗鼈冇锌赡苤苯臃謱咏M裝三維（3D）生物結(jié)構(gòu),，用于各種生物醫(yī)學(xué)和臨床應(yīng)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(yīng)用于角膜制造的3D生物打印技術(shù),，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(hù)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(guò)其獨(dú)特的球形前部結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的,，該結(jié)構(gòu)對(duì)總屈光力的貢獻(xiàn)約為80%,。角膜是一個(gè)高度專業(yè)化的結(jié)構(gòu)，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(dú)特的結(jié)構(gòu)特征,，使其具有一定的機(jī)械強(qiáng)度和透明度,。角膜可分為三個(gè)不同的層--上皮層、基質(zhì)層和內(nèi)皮層,。


△眼部結(jié)構(gòu)

據(jù)估計(jì),，約有1300萬(wàn)名患者需要進(jìn)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(gè)人捐贈(zèng)組織進(jìn)行移植,。此外，角膜移植的等待時(shí)間可能在1-24個(gè)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(yán)重的眼部疾病,。然而,，除了其復(fù)雜的設(shè)計(jì)和繁雜的手術(shù)程序外，人工角膜的臨床使用還會(huì)產(chǎn)生一定的并發(fā)癥和主要風(fēng)險(xiǎn)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(jié)構(gòu),，增材制造可以對(duì)材料進(jìn)行分層沉積以形成最終結(jié)構(gòu)。三維生物打印是增材制造的一個(gè)多學(xué)科分支,，重點(diǎn)是制造活體組織,。

角膜3D生物打印
近年來(lái)，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(shù),，因?yàn)樗�與各種再生醫(yī)學(xué)應(yīng)用中使用的可注射水凝膠系統(tǒng)兼容,。在這種方法中，預(yù)聚合的生物材料被擠壓到打印平臺(tái)上,，使用加壓空氣系統(tǒng)進(jìn)行逐層擠壓,。



△可生物降解藥物輸送系統(tǒng)

最近的一項(xiàng)研究在設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)一種隱形眼鏡式的可生物降解藥物輸送系統(tǒng)時(shí)，采用了基于擠壓的生物打印機(jī),，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(zhì)酸（HA）為基體的生物墨水進(jìn)行3D打印,，并通過(guò)紫外線交聯(lián)產(chǎn)生生物相容性的構(gòu)建體,，用于控制釋放一種抗生素（托布拉霉素）。結(jié)果顯示,，該構(gòu)建體在第14天后仍然保留了約40-50%的質(zhì)量,，從而展示了此款高度可擴(kuò)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�,。↙AP）,。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(zhǔn)確性和速度。由于其具有相對(duì)溫和的打印條件,，所以這項(xiàng)技術(shù)對(duì)細(xì)胞友好,，因此，適合打印具有高細(xì)胞活力的活細(xì)胞,。

●基于DLP的生物打印技術(shù)已被用于制造高通量制造角膜干/祖細(xì)胞（LSC）,。研究人員已經(jīng)開(kāi)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(lái)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(zhì)的再生,。研究人員利用可見(jiàn)光介導(dǎo)的SLA和GelMA作為生物墨水,，制造出類似于角膜基質(zhì)的解剖學(xué)上的圓頂形結(jié)構(gòu)。最終的打印結(jié)構(gòu)具有良好的機(jī)械性能和透光性,，可與原生角膜基質(zhì)組織相媲美,。

●LAP已被用于制造角膜上皮和角膜基質(zhì)。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(kāi)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(xì)胞衍生的角膜緣上皮干細(xì)胞（hESC-LESCs）可被用來(lái)制造類似角膜上皮的分層結(jié)構(gòu),，而hAdMSCs被用來(lái)制造分層的角膜基質(zhì)等等價(jià)物,。兩種類型的細(xì)胞在打印后都表現(xiàn)出良好的細(xì)胞活力，并保持了角膜細(xì)胞的形態(tài)特征,。

總結(jié)與展望



三維生物打印作為一種關(guān)鍵的生物制造技術(shù),，是一個(gè)非常有前景的技術(shù)，可用于制造工程化的角膜組織等價(jià)物,，以解決一些臨床適應(yīng)癥,，包括穿透性角膜成形術(shù)、前板層角膜成形術(shù)和內(nèi)皮角膜成形術(shù),。角膜的生物制造已經(jīng)得到了明智的探索,，它是一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的多層組織。作為角膜最復(fù)雜和最困難的組成部分,，基質(zhì)是各種生物打印技術(shù)的目標(biāo),。

制造的基質(zhì)替代物必須具有足夠的機(jī)械特性，約為 300 kPa,，與天然組織的機(jī)械特性相當(dāng),。此外，支架降解的速度必須與基質(zhì)組織的體內(nèi)周轉(zhuǎn)率一致,，基質(zhì)才能成功重建,。另一個(gè)重要的考慮因素是生物制造的結(jié)構(gòu)在其體內(nèi)壽命過(guò)程中不應(yīng)引起任何顯著的炎癥反應(yīng)。生物打印結(jié)構(gòu)必須與宿主組織順利融合并促進(jìn)神經(jīng)再支配,，因?yàn)檫@對(duì)于基質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)支持是必要的,。

從生物材料的角度來(lái)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(jìn)細(xì)胞粘附和增殖,，但微纖維網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)刺激基質(zhì)膠原蛋白的有序沉積,，這對(duì)于角膜組織的再生至關(guān)重要。這種結(jié)構(gòu)還提供了良好的光學(xué)和機(jī)械性能,。

此外,，由于角膜基質(zhì)干細(xì)胞 (CSSC) 在本質(zhì)上是同種異體的，它們?cè)黾恿擞|發(fā)宿主免疫反應(yīng)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(gòu)建相關(guān)的角膜類似物，這些角膜類似物可用作體外模型來(lái)研究疾病病理生理學(xué)和測(cè)試新藥物,，或用于體內(nèi)臨床移植,。

作者預(yù)計(jì)，通過(guò)工程師,、科學(xué)家和臨床醫(yī)生之間的協(xié)調(diào)努力,，組織再生和生物打印技術(shù)已經(jīng)取得了快速的進(jìn)步，預(yù)計(jì)十年,，將實(shí)現(xiàn)臨床相關(guān)的全層角膜等效物的制造,。他們認(rèn)為，完整的臨床前評(píng)估,、臨床評(píng)估和監(jiān)管許可最終將為生物打印角膜打開(kāi)大門(mén),，以使數(shù)百甚至數(shù)百萬(wàn)患有各種眼表病的人恢復(fù)視力。


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