四家非典型3D生物打印公司解讀:除了復制外殼,更需要功能性“內核”

2021-08-03 09:28
海外星云 2021年4期
關鍵詞:內核墨水器官

在多學科的融合之下,精準醫療正在到來。作為對精準醫療領域做出直接貢獻的重要角色,分子遺傳學和生物細胞學在3D生物打印方面也發揮著重要作用。

在3D生物打印中,分子遺傳學和細胞生物學與機械工程技術結合,可以精準打印出器官模型,用來加速藥物開發、檢測藥物療效以及作為可植入的組織或器官等。全球首家微流控+3D生物打印公司

全球首家微流控+3D生物打印公司

“相比結構,我們更注重功能。”Aspect Biosystems(下稱“Aspect”)創始人兼首席執行官Tamer Mohamed說,“我們不一定要創造出和人體內組織(器官)相似的結構。”

Aspect Biosysterns是加拿大一家3D生物打印公司,采用微流控技術(一種精確控制和操控微尺度流體的技術)進行生物打印,于2013年從不列顛哥倫比亞大學獨立出來。

“使用微流控技術進行3D打印靈活性極高,”Mohamed舉例說,采用微流控技術可以將所有顏色組合起來,通過工程設計技術,實現生物打印。為了將豐富的顏色應用到生物打印中,設備的微流控打印頭采用集成的閥門系統,可以精確控制不同顏色或材料的出料順序。

除了精確構建人體器官模型,Aspect生物打印的模型也具有特定的功效。

該公司正在開發一種可實現胰島B細胞功能的植入物,以檢測I型糖尿病患者的葡萄糖指標,并產生胰島素。

這種植入物由胰腺細胞3D打印而成,外面會包裹一個保護層,使其隱藏于異源細胞之中。這種保護層必須由非免疫原性材料構成,并且需要具有足夠的強韌性以在患者體內留存數年。

為了制造胰腺細胞,Aspect已經與英屬哥倫比亞大學細胞學與生理科學教授TimothyKieffer博士達成合作,Kieffer博士開發的用干細胞分化成胰島B細胞的有效方案將用于Aspect的3D打印之中。

人類多能干細胞具有分化為不同類型的功能細胞的能力,但這同時也存在著癌變的風險。因此,Aspect生物打印機會把所有需要的材料(細胞)分開放置,確保”在出現任何差錯的時候,輕松移除細胞”,阻斷反應。

Mohamed斷言,“我們是全球第一個、也是唯一一個將微流控技術與3D打印結合用于生物打印的團隊。”

“打印器官”:用器官芯片檢測藥效

體外“打印器官”是3D打印提高精準醫療水平的另一種方式。

瑞士生物打印公司RegenHU正在研發器官芯片,并用器官芯片來測試風濕性關節炎藥物的療效。該公司已經加入由歐盟資助的新藥測試項目——FLAMIN-GO。

其器官芯片可以涵蓋關節環境中滑膜細胞、白細胞、血管、軟骨、骨骼等很多不同因素之間的相互作用,“可以把患者自身細胞放到器官芯片中測試,找出最適合患者的藥物,”RegenHU首席執行官simonMacKenzie博士表示。

RegenHUt在為該項目定制3D打印設備和軟件系統,并為研究人員提供培訓和技術支持。該公司最新的打印設備R-Gen100可以在保持細胞活性的同時提供高重復性、高精度的打印。

R-Gen 100有5個獨立的插槽,每個插槽可以加入不同的材料且能分別設置不同溫度。MacKenzie表示,“進行生物打印時,保持細胞溫度是至關重要的。”

同時,也可以用不同的擠出技術對不同特性的材料進行打印。例如,機械活塞可能最適合粘性材料,而氣動打印可以減少剪切力,并能提高微弱細胞的存活性。靈活性和系統的高精度結合在一起,可以使用戶創造出由多種材料構成的復雜3D結構。

MacKenzie提到,“我們的許多客戶正在嘗試構建一些非常復雜的3D細胞模型,而我們可以根據客戶不同的意愿進行定制。”

3D打印功能性血管

無論是學術研究還是工業制造,構建一個功能性器官都需要血液的供應。

“每個不同的組織都有獨特的細胞成分”,Advanced Solutions的子公司AdvancedSolutions Life Sciences(ASLS)首席科學家James(Jay)Hoying博士說,“而幾乎每個組織都有血管,那我們如何建立能夠與構成組織的細胞協作的血液供應呢?”

為解決這一問題,Hoying開發了一種用脂肪組織生成血管的方式——Angiomics,“拿到脂肪,然后去除脂肪細胞”。

Hoying解釋道,脂肪組織是高度血管化的,毛細血管遍布脂肪床,拿到毛細血管,并將它們擊碎。當這些毛細血管回到組織環境中,將仍然具有生長為較大血管的能力。

“血管可以像在體內一樣在培養皿中生長,”Hoying指出,對毛細血管附近的組織細胞進行生物打印,可以創造出一個新血管可以生長為組織的環境,建立可以供血液流動的血管系統。

他強調,在腫瘤模型的構建中,脈管系統是非常重要的,“要在體外盡可能多地捕捉腫瘤生物學信息,血液的供應很重要。”

ASLS把Angiomics和六軸3D打印硬件系統相結合,開發了人體腫瘤學評估(HumanOncology Personal Evaluation,HOPE)平臺。

將患者的腫瘤復制出來,再結合功能性脈管系統,對各種藥物的療效進行測試,找出最適合患者的治療方案。

另外,ASLS也在研發3D生物打印的可供移植的骨骼,其帶有患者自身細胞的脈管系統。對患者受損骨骼進行斷層掃描,設計出與患者解剖結構完全匹配的3D生物打印替代骨。目前,BioBonet在進行臨床前測試。

ASLS的生物打印機已在世界各地的實驗室中用于制造皮膚、角膜、胰腺和其他身體結構。

ASLS首席執行官Michael w.Golway表示,“將平臺移交給可以將整個職業生涯都投入到某個特定器官的科學家,這是我們的戰略之一。”“我們的目標就是為這些科學家提供加快生物打印從研發到臨床應用的平臺。”

第一家商業化”通用生物墨水”的公司

所有這些3D打印現象都要依賴由自然或者合成的聚合物組成的生物墨水,在打印過程中維持細胞活性。根據打印的具體需求,生物墨水可能需要促進細胞黏附、增殖或分化。

2016年,Cellink成為第一家將“通用生物墨水”商業化的公司。并且,其基于纖維素合成的生物墨水在去年獲得了美國的專利。

cellink聯合創始人兼首席執行官ErikGatenholm說:“這一領域要想真正起飛,需要一種可以確保可重復進行數據收集實驗的標準化材料。”

堅固的、纖維狀的纖維素是支撐軟骨細胞的理想材料。其他組織類型在生物墨水中需要不同的特性,目前,Cellink提供一系列針對不同細胞類型的定制生物墨水,包括皮膚、骨骼、胰腺、血管組織和其他結構的細胞。

Gatenholm提到:“我們的生物打印專家把自然生物成分與合成成分按照特定配比混合,為不同的人類細胞提供理想環境。”目前,Cellink公司的技術已經覆蓋65個國家/地區,為約1800個實驗室提供打印機和生物墨水。

Cellink就開發應用程序與行業和學術界進行著緊密的合作,其已與阿斯利康合作開展多個項目,包括用于藥物發現的生物打印肝臟類器官等。這些類器官由層粘連蛋白基生物墨水打印而成,可幫助創建自然的微環境以支持組織形成。

在烏普薩拉大學的另一個項目中,Cellink的生物墨水正被用于人類胰腺β細胞的生物印刷,生物打印的細胞已經成功地生長為功能性胰島,并能生產胰島素。

現在,CellinklE在演變為“生物融合公司”。除生物打印設備和生物墨水外,還集成了更廣泛的技術來應對醫療保健方面的挑戰。Gatenholm說,生物打印腫瘤可以進行多種療法的測試,為了真正了解腫瘤、明白它是如何產生和擴散的,需要一種結合機器人、人工智能和大數據工具的技術。

活細胞數據分析工具就是一個例子,它可以監控腫瘤的生長并預測不同篩選化合物的有效性。

Gatenholm指出:“我們已經開發了許多不同的人工智能算法,可以用來確定腫瘤的生長速度等。”

可見,隨著生物制造技術的進步,3D打印的細胞和器官已經從科幻小說變為現實。(摘自美《深科技》)(編輯/多洛米)

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