3-D打印能产生供移植用的肺和肝组织吗

2019-10-25 14:47:18

在美国,平均每天有18人死于等待器官移植。捐赠的器官很难获得,这就是为什么许多科学家在过去20年里试图从零开始创造新的肝脏、肾脏、心脏或肺。制造这种精细结构的一种潜在方法是使用生物相容材料的3d打印,即生物照相技术。据报道,这种技术现在已经制造出肺和肝组织的功能模型,而这只需要一种非传统的成分:食用染料的一点点帮助。

以前,想要打印器官的人会被某些器官的复杂性所阻碍。例如,我们的肺和肝脏包含物理上和生化上纠结的血管和气道(在肺里)或胆管(在肝里)网络。能够重建这种血管,并使流体动力学工作,使血液和其他液体正常流动,一直是一个持续的挑战。

现在,来自华盛顿大学和莱斯大学的一组研究人员表示,他们已经使用一种名为投影立体光刻的3d打印技术制造出了功能性组织模型。这种方法将薄层的液体树脂暴露在蓝光下,使其固化成复杂的水凝胶——由缠绕在一起的聚合物分子组成的凝胶。这些细胞形成了一种结构“支架”,研究人员可以在其中植入活细胞,使其能够完成肺或肝脏的工作。在这项新的研究中,移植的细胞存活了下来,由此产生的器官组织模型展示了真实器官的一些功能。研究结果发表在上周的《科学》杂志上。

威克森林再生医学研究所(Wake Forest Institute for再生医学)所长安东尼·阿塔拉(Anthony Atala)说:“这无疑是我们在创造接近正常组织的3d打印结构方面取得的重大进展。”他没有参与这项新研究。

投影立体刻的基本技术在20世纪80年代就已经出现了,但“它的设计没有考虑到生物学;它被用来制造塑料结构,”莱斯大学布朗工程学院生物工程助理教授乔丹·米勒说,他也是这篇新论文的作者之一。这项技术可以产生比标准3d打印更精细的层,而且速度更快。米勒说:“我们可以用立体光刻技术在几秒钟内完成,而不是用挤出法在几分钟内完成一层。”这个速度是至关重要的:因为打印出来的结构最终将氧气和营养输送到细胞,更快的工作意味着更少的细胞在制造过程中死亡。

但有一个挑战。这种打印过程依赖于光反应化学物质(对光有反应的化学物质),因此液体的某些预先设定好的区域会固化,而其他区域则保持柔软,可以稍后被冲走。不幸的是,这些化学物质中有许多是致癌的。3-D打印机要制造出供输送营养物质和清除废物所需的微细血管,需要立体光刻术提供的精度;但是对于移植来说,它需要安全的、水溶性的光电管。

因此,研究人员必须找到一种替代品来替代已经被证实的有毒化学物质。当米勒和他的团队猜测食用染料可能会起作用时——他们知道它会吸收正确的光波使3-D打印过程起作用,并且相对具有生物相容性——他们没有耐心等待供应商运送原料。因此,米勒说:“我去了超市,买了一套食用色素,人们用它来做糖果。”

它工作。首先,研究小组用食用染料将液体聚合物染成黄色。或酒石酸,然后让打印机的投影仪发出蓝光。这引起了局部的化学反应,使液体凝固。由于打印机以预先设定的模式投射光线,它创造了一种可以硬化成薄而坚韧的生物结构的设计。“我们高兴得尖叫起来,因为这是一个多么简单的想法,令人震惊;它立即使我们能够使这个戏剧性的更复杂的架构,”米勒说。

黄色的没有。在许多快餐食品中都有发现,它还有另一个优点:它可以很容易地冲洗掉生物膜结构,留下一个清晰的框架,为科学家们填充的任何细胞提供营养。残留的染料不会影响细胞健康。(研究表明黄色不行。5不影响精子计数,如传闻;然而,它可能会加剧儿童先前存在的多动症。

尽管研究人员之前已经对组织进行了生物清洗,但他们仍然无法使细胞存活足够长的时间。在这方面,最新的研究必须测试新打印的支架,而红细胞是一种简单的方法。

该团队创造了一个模拟肺复杂血管网络关键部分的气囊的比例模型。它包括一条空气通道和单独的血细胞通道。在健康的人类肺中,这两个结构在没有接触的情况下交换氧气。这个模型完成了同样的壮举,保持血细胞存活。它还被证明足够坚固,以保持其结构作为一个模拟“呼吸”扩大和收缩打印组织。

接下来,研究人员测试了一个肝脏组织模型。打印过程的一部分包括将肝细胞注射到打印结构中。研究小组将人造肝组织植入患有慢性肝损伤的活老鼠和没有受伤的老鼠体内,然后对它们进行测试。一个功能完整的肝脏有超过500种功能,在这个案例中,他们只检查了一种功能,但它确实证明是成功的——而且肝细胞在活老鼠体内存活了下来。

新的打印方法还产生了工作的血管内瓣膜,在心脏和腿部静脉中起着关键作用。在测试中,打印出来的版本在流体流经它们时保持了它们的结构,并防止它们在阀门中向后移动。

那么,那些在移植名单上的人还需要多久才能获得生物打印的器官呢?科学家们仍然有很多问题需要解决——从最基本的开始,比如确定最佳的基础水凝胶。哪种蛋白质最有效?是否应该使用生长因子等添加剂来加速这一过程?“现在我们可以开始有条不紊地改变这些因素,看看哪些更重要,并探讨这如何影响细胞的功能,”论文的合著者、华盛顿大学生物工程和病理学系的助理教授凯利·史蒂文斯(Kelly Stevens)说。接下来的问题是如何最好地建造脚手架,以及有多少打印材料可以真正替代组织。史蒂文斯说:“这些都是科技的新飞跃让我们第一次提出的问题。”

研究人员不想成为唯一尝试这些可能性的人,所以他们把他们的技术开源,让其他生物工程师测试他们自己的应用。“生物打印是开源的,这确实有助于加速这项技术的发展——它确实加快了这一领域的发展,”阿塔拉说。他计划将这些发现应用到他的团队正在研究的许多器官组织结构上。

其他想要制造器官的人可以购买专门的打印机和墨水——米勒和一些论文的合作者已经建立了一个叫做Volumetric的新公司来销售这些材料——或者可以自己复制这项工作。米勒说,分享DIY对他来说很重要。“我们真的很兴奋,”他说,“为生物打印开辟了一套新的设计自由。”

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