哈佛與麻省理工3D列印帶血管的肝臟晶元

日前，結合了來自哈佛、麻省理工等全球七個機構的科學家團隊的最新肝臟組織研究，科學家們結合在3D生物列印、微流體晶元和水凝膠生物支架等多方面的綜合知識將體外肝臟藥物測試推向了另一個高度。

3D列印的肝臟晶元用於藥物測試能夠更安全、更可靠的進行，且更適合動物和人類的疾病研究。這項研究的地點集中在哈佛大學醫學院和麻省理工學院的衛生科學和技術部門。

更接近人體

實際環境

根據「紐約時報」2015年發表的數據，每5,000種新的藥物成分組合中只有一種能夠通過層層測試最終成為批准上市的藥物。

由Ali Khademhosseini和Su Ryon Shin帶領的科學家團隊通過人類細胞的培養從而製造出肝臟晶元，這個晶元的特殊之處不僅僅在於使用的是人類的細胞，還在於擁有匹配的血管結構，可以給組織細胞輸送營養。

首先，將人類肝臟細胞（HepG2 / C3A）與凝膠結合以製成組織結構。將藻類的墨水排列列印成肝臟中的血管，隨後藻類油墨溶解，在凝膠的中心留下中空通道。使用注射器，將臍靜脈內皮細胞（HUVEC）泵入中空通道並呈現血管的形狀。引進血流時，通道呈現完全血管化的特徵。

然後將該微流體晶元放置在生物反應器內部，保持細胞生長和增殖的恆定條件。實驗結果表明，「生物列印血管並與生物反應器的集成有助於創建更接近於現實的肝臟晶元，縮小體外和體內藥物測試之間的差距。帶血管的肝臟晶元有助於觀察和預測微循環水平的藥物毒性機制。

在肝臟器官晶元的商業化領域，美國食品藥品監督管理局（FDA）已經開始測試一種肝臟晶元。這是一種模擬人類器官生物功能的迷你模型，FDA將測試它是否可以有效地為人體對食物以及食源性疾病的反應建模。這些實驗能幫助FDA決定，醫藥公司在為可能具有毒性的新化合物（如食品添加劑）提出批准申請時，是否可以用晶元數據替代動物試驗數據。監管機構嘗試用器官晶元替代動物試驗，這在全球範圍內是首次。

2017年4月11日，FDA食品安全部門的毒理學高級顧問Suzanne Fitzpatrick在一則博客上公布了FDA的這一動向。雖然這類晶元是被設計用於測試藥物的，但Fitzpatrick所在的部門也想用它們來試一試單個器官對膳食補充劑和化妝品等產品的反應。他們還能用器官晶元來測試食源性病原體影響特定器官的具體過程。FDA的食品安全科學家們將首先評估人類肝臟晶元，接著會測試腎臟、肺和腸道模型。

這些晶元由位於美國麻省波斯頓市的生物技術公司Emulate製造。這種迷你器官里包含多種人類肝臟細胞，它們長在支架上。類似血液的液體被源源不斷地泵入這個系統，為細胞輸送營養物質並帶走代謝廢物。此外，還可以在晶元中添加免疫系統組分，以測試對肝臟新陳代謝的影響。

聽起來Emulate的肝臟晶元與3D列印的肝臟晶元有許多相同之處，究竟二者之間是否存在聯繫？3D科學谷將保持持續關注。

3D科學谷REVIEW

時至今日，全世界的科學家在人工血管、軟骨組織，腎臟、肝臟、皮膚等用於研究和藥物測試的器官3D列印領域取得了不同程度進展。通過3D列印與幹細胞培養技術的結合正在縮小體外測試與體內測試的差距。

人體組織和器官都是數以萬計的細胞組成的。比如心臟是由比較單一的心肌細胞組成的，而腎臟則細胞種類較多，僅腎小球中就有：血管內皮細胞，腎小囊壁層上皮細胞，腎小囊臟層上皮細胞（足細胞），系膜細胞。千里之行始於足下，人體器官3D列印亦不例外，不論構成他們的細胞種類有多少，都要從培養細胞做起。

用常規培養方式培養的細胞，其形態和功能與人體內的細胞並不完全相同。而用使用生物3D列印技術，可以讓細胞按照預先的設計的形狀和細胞之間的聯繫生長，更貼近人體的真實情況，從而達到模擬人體組織和器官的目的。無論是人造血管、軟骨組織，還是肝臟組織、腎臟組織，其核心是特定類型細胞的分離（或定向誘導）及大規模擴增。

除了哈佛大學與麻省理工在肝領域的進展，由阿斯頓大學主導，並由Axol Bioscience公司、漢諾威激光中心、巴塞羅那大學、光子科學研究所和KITE Innovation等機構共同參與了MESO-BRAIN項目，目標是將使用人類誘導多能幹細胞在一種輪廓分明、重現性好的3D支架上分化成神經元，以支持可以模擬人類大腦活動的人類神經網路的發展，以提高對包括帕金森病、老年痴呆和大腦 損傷在內的諸多腦部疾病的認識和治療。MESO-BRAIN還有望實現大規模基於人類細胞的檢測，以測試藥理學和毒理學化合物對神經網路活動的調節性影響。3D 支架構建出來的人工神經網路如果用於藥物測試領域，將增加藥物篩選效率、減少動物實驗。

項目組的科研人員表示，3D支架結構是根據一種基於大腦皮質模塊設計的，製造支架的是納米級3D激光列印技術，完成支架列印之後再融入納米電極以實現對神經網路的電生理分析。MESO-BRAIN項目還計劃使用一種基於光片照明的快速容積成像技術進行光學分析，從而在整個3D網路中實現細胞級的解析度。

除了用於藥物測試和移植的器官的可能性，3D列印技術已經成功地用於創建骨骼，包括脊椎骨，下頜骨，和整個胸廓，以及軟骨結構，如耳朵和氣管。3D列印技術未來的應用包括3D生物列印的現場，可以幫助在戰場上修復傷口，而3D列印的皮膚能夠恢復正常的燒傷，或僅僅是用於美容化妝。

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