加州大學高通量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，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15年，成本高達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批準的藥物進入市場。

加州大學圣地亞哥分校開發(fā)的高通量3D生物打印技術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。

加州大學圣地亞哥分校雅各布斯工程學院的納米工程教授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)槟繕恕?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)的是復雜的3D細胞培養(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雜微觀特征的逼真結構，如含有血管網(wǎng)絡的人類肝癌組織，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移到孔板上進行篩選。

Chen說："當你把它擴展到96孔板時，你會發(fā)現(xiàn)在時間上有很大的不同。用傳統(tǒng)方法加上樣品轉移時間至少需要96小時，而用我們的技術總共需要30分鐘。

可重復性是這項工作的另一個關鍵特征。這種技術制備的組織是高度組織化的結構，因此它們可以很容易地被復制用于工業(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胞類型，并允許它們自我組織，形成一個三維結構，這個結構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、結構和功能，它們是不可復制的。但通過我們的3D生物打印方法，我們可以準確地指定打印不同細胞類型、數(shù)量和微結構的位置。"

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計生物結構的三維模型。這些設計甚至可以來自醫(yī)學掃描，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，對細胞是安全的）的圖案。光線圖案被照射到含有活體細胞培養(yǎng)物和光敏聚合物的溶液上，這些聚合物在光照下會固化。該結構以連續(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的關鍵。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)生三維結構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，你可以一次性標記出那個形狀。這就是數(shù)字微鏡設備在我們技術中的作用。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生物打印技術上。它開始是一個為再生醫(yī)學創(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、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)擴大了其技術的使用范圍，打印珊瑚啟發(fā)的結構，海洋科學家可以用它來研究海藻的生長，并幫助珊瑚礁的恢復項目。