3D生物打印構(gòu)建類器官與器官芯片的研究進(jìn)展及應(yīng)用

來源：EFL生物3D打印與生物制造

在醫(yī)學(xué)和生物工程領(lǐng)域，對能精準(zhǔn)復(fù)制人體復(fù)雜結(jié)構(gòu)和生物功能的3D模型需求日益增長，3D生物打印作為一項前沿技術(shù)，可利用含細(xì)胞、生長因子和生物材料的生物墨水構(gòu)建具有仿生功能和穩(wěn)定機(jī)械性能的復(fù)雜組織，在疾病建模、藥物發(fā)現(xiàn)和精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)等方面展現(xiàn)出超越傳統(tǒng)2D模型和動物模型的優(yōu)勢。然而，該技術(shù)在商業(yè)化進(jìn)程中面臨生物倫理與法律問題，以及新型生物材料創(chuàng)新不足的挑戰(zhàn)。來自鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院的韓新巍和劉灶渠團(tuán)隊在《Medicinal Research Reviews》期刊上發(fā)表了題為“3D Bioprinting for Engineering Organoids and Organ﹐n゛〤hip: Developments and Applications”的綜述。文章系統(tǒng)總結(jié)了3D生物打印在構(gòu)建類器官和器官芯片功能組織模型的基本技術(shù)及優(yōu)勢，深入探討了其在藥物發(fā)現(xiàn)、篩選和精準(zhǔn)治療等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，同時聚焦現(xiàn)有技術(shù)的制約因素，明確提出了未來的研究方向。

文章內(nèi)容
介紹了噴墨生物打印、擠壓生物打印、激光輔助生物打印和立體光刻生物打印這四種主要的3D生物打印技術(shù)，包括每種技術(shù)的關(guān)鍵要點、優(yōu)勢、劣勢及相關(guān)參考文獻(xiàn)，還展示了它們的技術(shù)原理和發(fā)展歷程。

圖1. 3D生物打印技術(shù)的主要類型。

E-jet 3D打印設(shè)備通過打印結(jié)直腸癌細(xì)胞、癌癥相關(guān)成纖維細(xì)胞和腫瘤內(nèi)皮細(xì)胞，構(gòu)建并表征了3D生物打印的腫瘤微環(huán)境，該環(huán)境為基質(zhì)細(xì)胞、癌細(xì)胞、免疫細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)蛋白之間的動態(tài)相互作用提供了重要框架，這些相互作用在促進(jìn)成纖維細(xì)胞活化、細(xì)胞外基質(zhì)調(diào)節(jié)、免疫抑制和血管生成等抗腫瘤活動中發(fā)揮重要作用，且腫瘤細(xì)胞在特定條件下可誘導(dǎo)正常成纖維細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞分別轉(zhuǎn)化為癌癥相關(guān)成纖維細(xì)胞和腫瘤內(nèi)皮細(xì)胞。  

圖2. 3D生物打印腫瘤微環(huán)境的構(gòu)建與表征。

展示了3D生物打印模型在藥物毒性篩選中的應(yīng)用，當(dāng)前藥物毒性篩選多通過動物進(jìn)行，但動物反應(yīng)不總能代表人類反應(yīng)。將手術(shù)切除的肝細(xì)胞癌樣本消化成細(xì)胞懸液，過濾后與海藻酸鈉和明膠混合形成生物墨水，在3D細(xì)胞打印機(jī)的建模腔中生成患者來源的3D生物打印肝細(xì)胞癌，可更好地預(yù)測藥物毒性并減少人類臨床試驗所需的動物數(shù)量。

圖3. 3D生物打印模型在藥物毒性篩選中的應(yīng)用。

呈現(xiàn)了3D生物打印技術(shù)的應(yīng)用，該技術(shù)可重新配置細(xì)胞、生長因子和生物材料為三維器官和組織，包括3D生物打印類器官、器官芯片和誘導(dǎo)多能干細(xì)胞衍生類器官等模型，這些模型可通過生物打印技術(shù)高通量開發(fā)，用于藥物發(fā)現(xiàn)、藥物篩選和個性化醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，其整合旨在橋接臨床前研究和臨床結(jié)果，優(yōu)化精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)策略。

圖4. 3D生物打印技術(shù)的應(yīng)用。

結(jié)論
3D生物打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛且深入，其克服了二維細(xì)胞培養(yǎng)的局限性，能精準(zhǔn)模擬微環(huán)境，具有高重復(fù)性，相比傳統(tǒng)細(xì)胞培養(yǎng)方法優(yōu)勢顯著。該技術(shù)可精準(zhǔn)沉積細(xì)胞和生物材料，重現(xiàn)腫瘤微環(huán)境的復(fù)雜性，助力自體組織和器官的按需生物制造，創(chuàng)建共培養(yǎng)構(gòu)建體。將其應(yīng)用于類器官和器官芯片，能提高組織工程和生物制造的產(chǎn)量，還可用于生產(chǎn)相關(guān)模型、生成藥物輸送載體、模擬癌癥藥物敏感性以幫助選擇治療方案，同時減少動物實驗的需求。不過，該技術(shù)要更廣泛應(yīng)用，還需解決生物倫理、新型生物材料生產(chǎn)、維護(hù)知情同意和保密原則以及推進(jìn)商業(yè)化等挑戰(zhàn)。

文章來源：
https://doi.org/10.1002/med.22121