哈佛與麻省理工3D打印帶血管的肝臟芯片

據(jù)南極熊了解，日前，結(jié)合了來(lái)自哈佛、麻省理工等全球七個(gè)機(jī)構(gòu)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)的最新肝臟組織研究，科學(xué)家們結(jié)合在3D生物打印、微流體芯片和水凝膠生物支架等多方面的綜合知識(shí)將體外肝臟藥物測(cè)試推向了另一個(gè)高度。3D打印的肝臟芯片用于藥物測(cè)試能夠更安全、更可靠的進(jìn)行，且更適合動(dòng)物和人類的疾病研究。這項(xiàng)研究的地點(diǎn)集中在哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院和麻省理工學(xué)院的衛(wèi)生科學(xué)和技術(shù)部門(mén)。根據(jù)“紐約時(shí)報(bào)”2015年發(fā)表的數(shù)據(jù)，每5,000種新的藥物成分組合中只有一種能夠通過(guò)層層測(cè)試最終成為批準(zhǔn)上市的藥物。

由Ali Khademhosseini和Su Ryon Shin帶領(lǐng)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)通過(guò)人類細(xì)胞的培養(yǎng)從而制造出肝臟芯片，這個(gè)芯片的特殊之處不僅僅在于使用的是人類的細(xì)胞，還在于擁有匹配的血管結(jié)構(gòu)，可以給組織細(xì)胞輸送營(yíng)養(yǎng)。

首先，將人類肝臟細(xì)胞（HepG2 / C3A）與凝膠結(jié)合以制成組織結(jié)構(gòu)。將藻類的墨水排列打印成肝臟中的血管，隨后藻類油墨溶解，在凝膠的中心留下中空通道。使用注射器，將臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞（HUVEC）泵入中空通道并呈現(xiàn)血管的形狀。引進(jìn)血流時(shí)，通道呈現(xiàn)完全血管化的特征。

然后將該微流體芯片放置在生物反應(yīng)器內(nèi)部，保持細(xì)胞生長(zhǎng)和增殖的恒定條件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，“生物打印血管并與生物反應(yīng)器的集成有助于創(chuàng)建更接近于現(xiàn)實(shí)的肝臟芯片，縮小體外和體內(nèi)藥物測(cè)試之間的差距。帶血管的肝臟芯片有助于觀察和預(yù)測(cè)微循環(huán)水平的藥物毒性機(jī)制。

在肝臟器官芯片的商業(yè)化領(lǐng)域，美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）已經(jīng)開(kāi)始測(cè)試一種肝臟芯片。這是一種模擬人類器官生物功能的迷你模型，F(xiàn)DA將測(cè)試它是否可以有效地為人體對(duì)食物以及食源性疾病的反應(yīng)建模。這些實(shí)驗(yàn)?zāi)軒椭鶩DA決定，醫(yī)藥公司在為可能具有毒性的新化合物（如食品添加劑）提出批準(zhǔn)申請(qǐng)時(shí)，是否可以用芯片數(shù)據(jù)替代動(dòng)物試驗(yàn)數(shù)據(jù)。監(jiān)管機(jī)構(gòu)嘗試用器官芯片替代動(dòng)物試驗(yàn)，這在全球范圍內(nèi)是首次。

2017年4月11日，F(xiàn)DA食品安全部門(mén)的毒理學(xué)高級(jí)顧問(wèn)Suzanne Fitzpatrick在一則博客上公布了FDA的這一動(dòng)向。雖然這類芯片是被設(shè)計(jì)用于測(cè)試藥物的，但Fitzpatrick所在的部門(mén)也想用它們來(lái)試一試單個(gè)器官對(duì)膳食補(bǔ)充劑和化妝品等產(chǎn)品的反應(yīng)。他們還能用器官芯片來(lái)測(cè)試食源性病原體影響特定器官的具體過(guò)程。FDA的食品安全科學(xué)家們將首先評(píng)估人類肝臟芯片，接著會(huì)測(cè)試腎臟、肺和腸道模型。

這些芯片由位于美國(guó)麻省波斯頓市的生物技術(shù)公司Emulate制造。這種迷你器官里包含多種人類肝臟細(xì)胞，它們長(zhǎng)在支架上。類似血液的液體被源源不斷地泵入這個(gè)系統(tǒng)，為細(xì)胞輸送營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)并帶走代謝廢物。此外，還可以在芯片中添加免疫系統(tǒng)組分，以測(cè)試對(duì)肝臟新陳代謝的影響。

時(shí)至今日，全世界的科學(xué)家在人工血管、軟骨組織，腎臟、肝臟、皮膚等用于研究和藥物測(cè)試的器官3D打印領(lǐng)域取得了不同程度進(jìn)展。通過(guò)3D打印與干細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)的結(jié)合正在縮小體外測(cè)試與體內(nèi)測(cè)試的差距。

人體組織和器官都是數(shù)以萬(wàn)計(jì)的細(xì)胞組成的。比如心臟是由比較單一的心肌細(xì)胞組成的，而腎臟則細(xì)胞種類較多，僅腎小球中就有：血管內(nèi)皮細(xì)胞，腎小囊壁層上皮細(xì)胞，腎小囊臟層上皮細(xì)胞（足細(xì)胞），系膜細(xì)胞。千里之行始于足下，人體器官3D打印亦不例外，不論構(gòu)成他們的細(xì)胞種類有多少，都要從培養(yǎng)細(xì)胞做起。

用常規(guī)培養(yǎng)方式培養(yǎng)的細(xì)胞，其形態(tài)和功能與人體內(nèi)的細(xì)胞并不完全相同。而用使用生物3D打印技術(shù)，可以讓細(xì)胞按照預(yù)先的設(shè)計(jì)的形狀和細(xì)胞之間的聯(lián)系生長(zhǎng)，更貼近人體的真實(shí)情況，從而達(dá)到模擬人體組織和器官的目的。無(wú)論是人造血管、軟骨組織，還是肝臟組織、腎臟組織，其核心是特定類型細(xì)胞的分離（或定向誘導(dǎo)）及大規(guī)模擴(kuò)增。

除了哈佛大學(xué)與麻省理工在肝領(lǐng)域的進(jìn)展，由阿斯頓大學(xué)主導(dǎo)，并由Axol Bioscience公司、漢諾威激光中心、巴塞羅那大學(xué)、光子科學(xué)研究所和KITE Innovation等機(jī)構(gòu)共同參與了MESO-BRAIN項(xiàng)目，目標(biāo)是將使用人類誘導(dǎo)多能干細(xì)胞在一種輪廓分明、重現(xiàn)性好的3D支架上分化成神經(jīng)元，以支持可以模擬人類大腦活動(dòng)的人類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，以提高對(duì)包括帕金森病、老年癡呆和大腦 損傷在內(nèi)的諸多腦部疾病的認(rèn)識(shí)和治療。MESO-BRAIN還有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)�；�于人類細(xì)胞的檢測(cè)，以測(cè)試藥理學(xué)和毒理學(xué)化合物對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)的調(diào)節(jié)性影響。3D 支架構(gòu)建出來(lái)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如果用于藥物測(cè)試領(lǐng)域，將增加藥物篩選效率、減少動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。

項(xiàng)目組的科研人員表示，3D支架結(jié)構(gòu)是根據(jù)一種基于大腦皮質(zhì)模塊設(shè)計(jì)的，制造支架的是納米級(jí)3D激光打印技術(shù)，完成支架打印之后再融入納米電極以實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電生理分析。MESO-BRAIN項(xiàng)目還計(jì)劃使用一種基于光片照明的快速容積成像技術(shù)進(jìn)行光學(xué)分析，從而在整個(gè)3D網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)細(xì)胞級(jí)的分辨率。

除了用于藥物測(cè)試和移植的器官的可能性，3D打印技術(shù)已經(jīng)成功地用于創(chuàng)建骨骼，包括脊椎骨，下頜骨，和整個(gè)胸廓，以及軟骨結(jié)構(gòu)，如耳朵和氣管。3D打印技術(shù)未來(lái)的應(yīng)用包括3D生物打印的現(xiàn)場(chǎng)，可以幫助在戰(zhàn)場(chǎng)上修復(fù)傷口，而3D打印的皮膚能夠恢復(fù)正常的燒傷，或僅僅是用于美容化妝。

來(lái)源：3D科學(xué)谷