3D列印技術在疾病治療中的應用

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谷 君 說

列印得到的組織體積、厚度以及特性均存在明顯差異，生物列印組織的結構複雜性對於適應體內不同的生理環境具有重要的意義。

3D列印技術在疾病治療中的應用

文/dingka

本期為大家帶來的是3D列印技術在人類健康領域的應用相關研究進展，希望讀者朋友們能夠喜歡。

1. JCCT：3D列印有助於預測心臟瓣膜的泄漏

DOI: 10.1016/j.jcct.2018.09.007

在美國，超過八分之一的75歲及以上的人在心臟中發生中度至重度的主動脈阻塞，通常是由於瓣膜小葉上積聚的鈣化沉積物造成的，並阻止它們完全打開和關閉。許多這些老年患者的健康狀況不足以進行心臟直視手術;相反，他們使用稱為經導管主動脈瓣置換術（TAVR）的手術將人工瓣膜植入其心臟，該手術通過插入主動脈的導管展開瓣膜。

然而，這個過程存在挑戰，包括需要選擇完美尺寸的心臟瓣膜，而不是真正看病人的心臟：太小，瓣膜可能會在邊緣移動或泄漏;太大了，閥門可以撕裂心臟，帶來死亡的危險。因此，心臟病專家一直試圖尋找一種「恰到好處」的TAVR瓣膜尺寸。

哈佛大學Wyss生物啟發工程研究所的研究人員創造了一種新穎的3D列印工作流程，允許心臟病專家在實際執行醫療程序之前評估不同瓣膜尺寸與每位患者獨特解剖結構的相互作用。該協議使用CT掃描數據生成個體患者主動脈瓣的物理模型，此外還有「sizer」裝置以確定完美的替換瓣膜尺寸。

這項工作是與布萊根婦女醫院，華盛頓大學，馬薩諸塞州綜合醫院和馬克斯普朗克膠體與界面研究所的研究人員和醫生合作完成的，並發表在《Journal of Cardiovascular Computed Tomography》雜誌上。

當患者需要更換心臟瓣膜時，他們經常進行CT掃描，這需要一系列心臟X射線圖像來創建其內部解剖結構的三維重建。雖然在CT掃描中很容易看到主動脈的外壁和任何相關的鈣化沉積物，但是打開和關閉瓣膜的組織的精細「小葉」通常太薄而不能很好地顯示出來。 「在進行心臟解剖結構的三維重建後，通常看起來鈣化的沉積物只是在瓣膜內漂浮，對部署的TAVR瓣膜如何與它們相互作用提供很少或根本沒有見解，」Weaver解釋說。

為了解決這個問題，當時Wyss研究所的研究員Ahmed Hosny創建了一個軟體程序，該程序使用參數化建模來生成傳單的虛擬三維模型，每個患者的瓣膜上有七個坐標，這些坐標在CT掃描。然後將數字小葉模型與CT數據合併並進行調整，以使它們正確地適合瓣膜。然後將得到的模型（其中包含小葉及其相關的鈣化沉積物）3D列印成物理多材料模型。

該團隊還列印了一個定製的「sizer」設備，該設備適合3D列印的閥門模型，並進行擴展和收縮，以確定最適合每位患者的人造瓣膜尺寸。然後，他們用一層薄薄的壓力感測薄膜包裹分級機，以繪製分級器和三維印刷閥門及其相關的鈣化沉積物之間的壓力，同時逐漸擴大分級器。

「我們發現傳單上鈣化沉積物的大小和位置對人工瓣膜與鈣化瓣膜的適應性有很大影響，」目前在Dana-Farber癌症研究所工作的Hosny說。 「有時，TAVR瓣膜無法完全密封鈣化瓣膜，這些患者實際上可以更好地進行心內直視手術以獲得更好的貼合效果。」

此外，三維印刷閥門模型的多材料設計，將柔性小葉和剛性鈣化沉積物整合成完全整合的形狀，可以更準確地模擬人工瓣膜部署期間真實心臟瓣膜的行為，以及隨著sizer的擴展，提供觸覺反饋。

該團隊根據已經接受過TAVR手術的30名患者的數據對他們的系統進行了測試，其中15名患者因閥門太小而發生泄漏。研究人員預測，根據分級器與主動脈瓣的3D列印模型的匹配程度，每個患者應該接受的瓣膜大小，以及手術後是否會出現泄漏。該系統能夠成功預測60-73％的患者的泄漏結果（取決於患者接受的瓣膜類型），並確定60％的患者已接受適當大小的瓣膜。

「能夠識別中心和低風險患者，其心臟瓣膜解剖結構使他們更容易發生TAVR併發症，這是至關重要的，我們以前從未有過一種非侵入性的方法來準確地確定這種情況。這些患者可能會通過手術獲得更好的服務，因為不完美的TAVR結果的風險可能超過其益處。」作者們說道。此外，能夠物理模擬該過程可能會告知閥門設計和部署方法的未來迭代。

該團隊已經為希望使用它們的研究人員或臨床醫生在線免費提供了傳單建模軟體和3D列印協議。他們希望他們的項目將成為可進化的生物醫學設計的跳板，與市場的最新技術保持同步。

「個性化醫療挑戰的核心是認識到一種藥物治療不能同樣為所有患者服務，並且治療方法應該適合人，」Wyss研究所創始主任Donald Ingber博士說到。他還是哈佛醫學院血管生物學的Judah Folkman教授和波士頓兒童醫院的血管生物學項目，以及哈佛大學工程與應用科學學院的生物工程教授。 「這個原則適用於醫療器械和藥物，我們很高興看到我們的社區如何在這個領域進行創新，並試圖將新的個性化方法從實驗室到臨床實踐。」

2. Cell System：3D列印技術改變篩選抗生素的方法

DOI: 10.1016/j.cels.2018.07.004

最近，來自麥克馬斯特大學實驗室開發的一個「小型黑盒子」可以改變科學家尋找新抗生素的方式。

印刷熒光成像盒（簡稱PFIbox）能夠收集大量數據，這將有助於Michael G. DeGroote傳染病研究所的研究人員尋求發現新的抗生素。該盒子允許科學家一次分析超過6,000個細菌樣本。

從原理上來講，該工具使用LED燈激發細菌中的熒光蛋白。然後，它將數據無線發送給研究人員，研究細胞隨時間對抗生素的反應。PFIbox的九個結構部件可以在大約一天內進行3D列印，在幾分鐘內拼接在一起，成本約為200美元。

「3D列印讓我們可以創建根本不存在的工具和儀器，」負責該項目工作的傳染病研究員Eric Brown以及Shawn French和Brittney Coutts說道。 「在這裡，我們設計並製造了一台絕對最先進的實驗室儀器，價格約為200美元。這對於我們發現新抗生素的工作來說只是改變遊戲規則。」

研究人員已將PFIbox的代碼開源，並且可供任何想要使用它們的人使用。

「我們完全期望 - 事實上，我們希望 - 人們會採用這個工具的代碼並對其進行改進，」法國人說。 「我們希望人們能夠充分利用我們認為在與超級細菌的鬥爭中非常重要的新發展。」

3. Arch Toxicol：幹細胞 3D列印，可用於肝臟移植

來自愛丁堡大學醫學研究委員會（MRC）再生醫學中心的科學家結合幹細胞技術與3D列印技術，成功培育出了人源3D肝臟組織，並且在小鼠水平顯示出治療的潛力。

科學家表示，除了為開發人體肝臟組織植入物方面進行早期的探索，這一研究還可以通過搭建平台來研究人類肝臟疾病以及實驗室中的測試藥物的藥效，從而減少對動物研究的需求。

在這項發表在《Archives of Toxicology》雜誌上的研究中，科學家們採集了人類胚胎幹細胞並誘導形成多能幹細胞（已被誘導轉變為幹細胞的成體細胞），通過定向誘導形成為肝細胞。

負責這項研究的愛丁堡大學MRC再生醫學中心的David Hay教授說：「這是有史以來第一次有人在實驗室中將幹細胞來源的肝組織體外培育一年多的時間。細胞長時間存活和穩定是非常困難的，但對於在人體中使用則至關重要。「

然後，科學家們與材料化學家和工程師合作，確定了已經批准用於人體的合適聚合物，以便將它們發展成3-D支架。最好的材料是可生物降解的聚酯聚己內酯，它被製作成微觀纖維，纖維網形成一厘米見方，毫米厚的支架。之後，將源自胚胎幹細胞的肝細胞（其已在培養物中生長20天）載入到支架上並植入小鼠皮下。

研究結果顯示，血管能夠在支架上成功生長。此外，作者並且發現小鼠的血液中含有人肝蛋白，表明組織已成功地與循環系統整合，支架未被動物的免疫系統拒絕。

進一步，作者在在患有酪氨酸血症的小鼠中測試肝組織支架的效果。酪氨酸血症是一種潛在致命的遺傳疾病，其中肝臟中分解氨基酸酪氨酸的酶是有缺陷的，導致有毒代謝產物的積累。

研究結果表明，植入的肝組織能夠幫助酪氨酸血症的小鼠分解酪氨酸。與接受空支架的對照組中的小鼠相比，移植有3D列印肝臟組織的小鼠體重減輕，血液中毒素積累較少，並且肝損傷跡象較少。

Hay教授說：「希望有朝一日這樣的植入物可能有一天能夠幫助肝臟衰竭的人。將支架置於皮膚下具有比將組織移植物插入腹部更具侵入性和潛在安全性的巨大優勢」。

4. Adv Materials：3D列印生物工程化血管研究新突破

DOI: 10.1002/adma.201706913

最近來自BWH的研究者們開發出了一種新型的維管結構製備方法，能夠得到更符合生理要求的血管。這種3D列印技術能夠精細模仿組織的生理特性，例如細胞的成熟以及能否運輸營養物質等。這一技術將能夠被用於進行受損組織的置換。相關結果發表在最近一期的《Advanced Materials》雜誌上。

許多疾病都會造成管道組織的損傷，例如動脈炎、動脈粥樣硬化以及血栓等。此外，泌尿組織也會因為炎症反應產生損傷。

為了製備3D組織材料，研究者們將人體細胞與水溶膠進行混合，水溶膠的化學性質經過了反覆的摸索，使其能夠允許細胞的增殖。

之後，研究者們將這些混合好的材料注入管道組織3D列印系統，並且通過程序設置使其能夠連續列印三層。當管道列印完畢之後，研究者們經過其它方法驗證了其能夠允許營養物質穿透的特性。

研究者們發現它們能夠通過3D列印的技術模擬血管組織以及泌尿道組織。通過將人體的尿道以及膀胱平滑肌細胞與水溶膠混合，能夠形成尿道組織。而在製備血管組織的時候，它們使用人源的內皮細胞，平滑肌細胞以及水溶膠進行混合。

這些列印得到的組織體積、厚度以及特性均存在明顯差異。生物列印組織的結構複雜性對於適應體內不同的生理環境具有重要的意義。

下一步，作者們希望能夠通過前臨床的研究對這一技術進行優化，通過調整各種參數，使其符合移植的安全性與有效性要求。

5. Nat Biomed Eng：科學家開發出可促進血管生長的新型3D列印斑塊結構

當變窄、變硬或變堵塞的血管無法持續向組織供養時就會引發缺血發生，通常就會誘發心臟病發作、中風、壞疽和其它嚴重的疾病；外科手術通常能夠糾正大型血管中的問題，在血管中進行的療法往往非常複雜；如今來自布萊根婦女醫院的研究人員開發了一種新方法，利用3D列印斑塊灌入細胞就能夠有效促進健康血管的生長。

相關研究刊登於國際雜誌Nature Biomedical Engineering上，研究者所開發的這種斑塊在促進新生血管生長的同時，還能夠避免其它方法所產生的問題；研究者Chen說道，治療性血管生成(therapeutic angiogenesis)，即通過注射生長因子來促進新血管生長，這是一種治療缺血發生的潛在實驗性技術；但在實際情況下研究者往往無法實現成功使得血液流經新生的血管組織，因此研究人員就想通過更深入的研究來觀察是否能夠解決這個問題。

隨後研究者Chen及同事設計出了含有內皮細胞的兩種斑塊結構，第一種結構中，細胞能夠被預先組裝進特殊的架構中，在另外一種結構中，細胞只是被簡單地注入，並不會攜帶任何組織架構；體內實驗結果表明，攜帶預組裝結構的斑塊能夠有效降低組織缺血的發生率，而不攜帶任何組織的斑塊則會誘發「毛團」狀況的出現（"hairball" situation）。

臨床前的研究為科學家們提供了一種新方法來引導血流進入機體的特殊組織區域，增強血液供給或許就能夠為組織癒合提供氧氣，同時還能夠有效保護關鍵的器官，比如心臟和四肢等。由於3D列印血管的規模在100微米左右，因此其足以用來製作微血管；研究人員希望這種新型的3D列印技術具有一定的可擴展性，以便於他們後期在更為複雜的大型有機體和組織環境中進行測試。

最後研究者Chen說道，目前這種方法仍然處於早期研究階段，後期我們還將進行更為深入的研究來提高這種3D列印斑塊的可擴展性，同時我們還將對不同架構進行實驗來觀察是否存在一種能夠更好發揮作用的結構。

6. Nat Commun：重磅！3D列印卵巢讓雌性小鼠產下健康的幼鼠

doi:10.1038/ncomms15261

根據美國西北大學費恩柏格醫學院、麥考密克工程學院的研究人員開展的一項新的研究，全新的三維列印（即3D列印）器官如今包括當植入到雌性小鼠體內時能夠排卵的卵巢結構。

通過移除雌性小鼠的卵巢，並且利用三維列印卵巢（卵巢假體）替換它，這些小鼠不僅能夠排卵，而且也能夠產下健康的幼鼠。這些母鼠甚至能夠撫育它們的幼鼠。相關研究結果於2017年5月16日在線發表在Nature Communications期刊上，論文標題為「A bioprosthetic ovary created using 3D printed microporous scaffolds restores ovarian function in sterilized mice」。

這些卵巢假體是由容納著未成熟的卵子的三維列印支架構造而成，成功地促進小鼠體內的激素產生，並且恢復它們的生育力。

西北大學費恩柏格醫學院女性健康研究所主任、生殖科學家Teresa K. Woodruff說，「這項研究證實長期而言，這些卵巢假體具有雙重功能。利用生物工程技術，而不是通過移植來自死者屍體的組織來構建發揮功能的器官結構，從而恢復受者的組織健康，這是生物工程技術用於再生醫學的最高目標。」

論文通信作者、西北大學費恩柏格醫學院外科助理教授、西北大學麥考密克工程學院材料科學與工程助理教授Ramille Shah說，這項研究的獨到之處在於這種支架的結構和所使用的材料或者說「墨水（ink）」。

這種材料是明膠（gelatin），明膠是一種利用降解的膠原蛋白製作而成的生物水凝膠，可在人體中安全使用。這些研究人員已了解到他們構建出的任何一種支架都必須是利用足夠堅硬以便在外科手術期間進行處理的而且是多孔的以便足以與小鼠體內的組織進行天然地相互作用的有機材料構建出來的。

Shah說，「大多數水凝膠是非常脆弱的，這是因為它們主要是由水組成的，而且經常會自我破裂。但是我們發現一種溫度（大約30度）允許明膠自我加強而不會破裂，從而產生多層結構。在此之前，沒有人能夠利用明膠列印出這種明確的自我加強的幾何結構。」

這種幾何結構與卵泡（由包圍著不成熟的卵細胞的產生激素的支持細胞形成的結構）是否在卵巢中存活下來存在著直接的關聯。這也是這項研究的重大發現之一。

Shah說，「這是首次證實這種支架結構在卵泡存活中發揮著重要作用。如果我們不使用一種三維列印平台，那麼我們就不能夠做到這一點。」

這種三維列印「支架」被移植到雌性體內，它的多孔性能夠被用來優化卵泡或者未成熟的卵子如何進入這種支架內部。這種支架促進小鼠的未成熟的卵細胞和產生激素的支持細胞存活。這種多孔結構也給這些卵細胞成熟、排卵以及血管在這種移植的支架內形成提供空間。這些血管能夠讓產生的激素在小鼠血液中循環流通，並且在產仔後促進乳汁產生。

對一些女性而言，基因突變、卵巢疾病或者利用放療或化療治療癌症會破壞她們的卵巢功能，從而讓她們喪失了當媽媽的機會。這項研究有望在未來為利用三維列印構建出人類卵巢支架鋪平道路。

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