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

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)價值的領域。在這個領域中，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)學研究所（WFIRM）等科研機構(gòu)的科學家們，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)在藥物測試領域具有應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)時缺乏一些能夠準確概括人類器官的正常組織功能及其對藥物化合物反應的模型系統(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)境當中，其中一個組織的動作將會影響到與之相關的其他組織。在這一背景下，WFIRM等科研機構(gòu)的科學家們設計了一種具有肝臟、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，并描述了多組織芯片系統(tǒng)在目標藥物毒、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胞、星狀細胞和庫普弗細胞等材料構(gòu)成的，而心臟組織的生物墨水是由誘導多功能干細胞等材料構(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)移到芯片的微反應器中。肺組織是在具有類似因子的微反應器中制造的，其中具有固定的半多孔膜、肺成纖維細胞、上皮細胞和內(nèi)皮細胞。

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)的主要應用領域是藥物測試，如果這類具有多器官的微流控芯片系統(tǒng)應用于新藥的藥物測試領域，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)療領域有一定的應用價值，例如幫助醫(yī)生預測個體患者對于治療方式的反應。

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科技術(shù)，它以前所未有的方式見證機體的多種生物學行為，在新藥發(fā)現(xiàn)、疾病機制和毒性預測等領域具有重要應用前景。在這個領域中的微流控芯片技術(shù)(Microfluidics)則是把生物、化學、醫(yī)學分析過程的樣品制備、反應、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、醫(yī)學等領域的巨大潛力，已經(jīng)發(fā)展成為一個生物、化學、醫(yī)學、流體、電子、材料、機械等學科交叉的嶄新研究領域。

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用，即：通過3D打印設備直接制造微流控芯片。

3D打印技術(shù)在制造具有復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)主要應用在微流控芯片的設計與研發(fā)階段。

來源：3D科學谷
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