生物3D打印将掀起一场医疗领域颠覆性革命

生物3D打印将掀起一场医疗领域颠覆性革命

作者:子非鱼

毫无疑问,3D打印技术(3D printing)作为一项划时代的发明,正在潜移默化地改变整个世界。而作为跨界领跑者,它成功引起了医疗领域科研巨头的注意,众多科研者也对此技术情有独钟。从3D打印器官、假肢,再到与人类健康息息相关的药物打印,无不标志着未来医疗发展的新方向。

3D生物打印的实质

与传统的减材制造工艺不同,3D打印作为新兴的一种快速成型技术,以数据设计文件为基础,将材料逐层沉积或黏合以构造成三维物体的技术。起初该技术只是被用于快速制造工业部件,而当其遇到了生物学则势必会碰出新的火花,3D生物打印就此应运而生。

因而,在3D生物打印过程中,研究者会以计算机三维模型为基础,通过软件分层离散和数控成型的方法,定位装配生物材料或活细胞,制造人工植入支架、组织器官和医疗辅助等生物医学产品。

生物3D打印将掀起一场医疗领域颠覆性革命

换言之,3D生物打印所使用的原料是生物墨水,而非传统的塑料材料。研究者会从人体骨髓或脂肪中提取的干细胞,再以生物化学手段将其“改造”(分化)为不同类型的其他细胞后,封存为“墨粉”。

当启动3D生物打印机时,电脑建模程序会设计出需要打印的器官剖面图,来精准指导随后的打印过程;而后“墨粉”将通过打印头聚拢在事先设计好的生活相容性材料上,按照一定的图案来逐渐形成打印器官的雏形,构建活体组织。

生物3D打印将掀起一场医疗领域颠覆性革命

众所周知,细胞素来娇贵,对生长环境条件要求苛刻,非无菌条件不住;环境的温度、湿度稍不满足其心意,就会闹脾气(生长不良)、甚至以死相胁。为此,3D生物打印机需被置于生物安全柜中进行无菌操作,同时须确保适宜的温度和湿度以避免细胞死亡。

生物3D打印将掀起一场医疗领域颠覆性革命

考虑到构成人体不同组织的每个细胞类型都需要一个独特的机械环境,即需要通过独特的结构支撑来正常运转其功能,比如骨骼是一种具有抵抗力和脆性的物质,心脏的肌肉是有弹性的、坚韧的组织,而像肝脏这样的内部器官是柔软的和可压缩的。现阶段很多研究者都致力于找到一种可在3D打印机操作的生物相容性材料,使其对细胞造成的伤害降到最小。

最新的研究表明,从海藻中提取的新材料可在不同的环境中对人体干细胞进行3D生物打印,而且不会对细胞造成损害,为复杂组织结构的打印铺平了道路。

生物3D打印将掀起一场医疗领域颠覆性革命

3D打印器官带来的希望与挑战

虽然现有的3D生物打印技术的研究还处于早期阶段,但是其发展前景已经备受大家瞩目,尤其是在医疗领域,该技术甚至有望彻底改变临床器官移植的情况。

长久以来,很多患者等待着可与其相匹配的捐献器官,而由于器官移植需求与可供移植器官之间存在着巨大的缺口,使得很多病人最后只能在漫长而无望的等待中走向死亡。3D生物打印技术的出现,则为这些病人带来了巨大的希望。澳大利亚每年有1500名接受器官移植的患者希望通过3D打印生物组织来替代器官移植,为他们提供一个新的解决方案。

生物3D打印将掀起一场医疗领域颠覆性革命

尽管目前为止生物3D打印技术已实现了体外手术模型和人体类器官的打印,但是却还没有发展到可以替代人源器官的程度。而且是即便人体类组织,也只是组织结构相似,而不具备组织的功能。就拿皮肤来说,看起来薄薄的一层,但其功能很多,除了保护身体功能之外,还有感觉、调温、出汗等功能,如果打印出来的皮肤不具备这些功能也是不行的。

而3D打印活体器官之所以最具有挑战性,是因为从技术层面来说,至少需要克服三个挑战:1、需要解决打印过程中细胞能否存活、能否发育、能否变异甚至肿瘤化的问题。2、3D生物打印机必须满足生物仿生对制造精度、准确性的极高要求。3、组织及器官是由多材料及多细胞组成的非均质体系,对制造学要求也极高。

目前,科研人员正在加紧攻克这些技术难题。一些如皮肤等相对简单组织的打印过程已经有所进展,该技术的下一阶段就需要与神经、血管和淋巴管进行整合,以便与宿主系统结合,为后续创造出移植器官,如肾脏、肺、心脏或肝脏打下基础。

虽然3D打印技术在实验室里已取得了相应成功,但这并不意味很快就能实现产业化,因为打印出的组织在确保其安全性、有效性之前,还需要大量的实验验证,据估算,一个用于组织修复的3D打印产品从研发到上市,大致需要5年到6年时长。

3D生物打印在新药测试中大显身手

众所周知,凡是新药研发,若不经过九九八十一难,是很难真正走向上市之路的。目前若只以现有的方法将新药从最初的实验室研究推向市场,不仅要耗时十多年之久,还需要花费将近25亿美元。

有时即便研发过程中已经确定了新的候选药物,但是该药物能获得监管部部门批准的可能性也是非常低的,以2016年为例,获得批准的药物还不到10%。甚至新药都已经走向人类临床试验了,根据药物分子的类型、试验参与者的疾病症状以及死亡情况,其上市可能性也只处于10%至15%之间。

而这些药物上市失败的主要原因在于对人类的药效较差,尽管它们在动物实验上疗效奇佳。动物实验与临床试验之所以脱节是因为物种之间存在不同生理学:啮齿动物和其他试验动物在许多关键方面与人类相较而言是非常不同的。

而3D打印技术可打印出肝脏、肾脏或心脏肌肉等更为复杂的3D模型,更适合于用于新药测试和识别。目前很多跨国制药公司已经将该模式用于新药研发过程中。

虽然研究中动物模型必不可少,但是美国FDA以及其新任主管已经开始考虑整合药物安全和功效评估的替代品。目前将生物打印组织用于药物研发已经得到科研者的广泛承认,并获得了澳大利亚的基金申请机构和全球资助项目的基金支持。

生物3D打印将掀起一场医疗领域颠覆性革命

3D打印,动物实验的终结者?

2013,欧洲联盟通过了一项新的法律,禁止在其领土内通过动物来测试化妆品的效果,以及禁止使用国外一些以动物试验为检测基准的零售化妆产品。

而这项法律法规无疑加速了基于人体的3D皮肤模型的开发,该模型可用于测试新的化妆品配方。由此可见,3D打印技术的可行性以及该技术对实验动物数量的减少,成为了这项法规通过的重要原因。而类似法规在澳大利亚也是适用的。

总之,其他行业的这种显著变化,再加上科学技术的日新月异的进步,使得3D生物打印技术自然而然地成为检测出有效新药的一种更快更廉价的方法。

参考文献:The Next Pharmaceutical Revolution Could Be 3D Bioprinted

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