細看3D打印技術如何推動現代醫(yī)學的進步

　　4. mBio & eLife：利用小型3D球體模型就能夠有效抵御結核病

　　近日，來自南安普敦大學等機構的研究人員通過研究開發(fā)了一種在實驗室用于研究人類機體感染的新型3D模型，文章中研究人員利用靜電封裝技術制造出了一種小型3D球體，其能夠在被結核分枝桿菌(TB)感染的人類細胞中產生密切反映患者機體疾病的狀況，相關研究刊登于國際雜志mBio和eLife上。

　　這種新型3D球體能夠幫助研究人員深入研究機體感染結核病時所發(fā)生的事件，同時研究者也希望基于本文研究結果開發(fā)出新型的抗生素療法和抵御結核病的疫苗。研究者Paul Elkington教授說道，這是結核病研究領域的一項重大研究進展，這種3D球體能夠在膠原蛋白基質中被創(chuàng)建以便其看起來和人類肺部非常相似，與此同時也能夠產生一種特殊環(huán)境來使得治療患者的特殊抗生素能夠有效殺滅引發(fā)肺結核的細菌，目前這在其它2D模型系統(tǒng)中還無法實現，這種新系統(tǒng)或將加速研究人員尋找治療人類結核病新型療法及開發(fā)疫苗的速度。

　　此外，這種新型3D球體結構還能夠將整個實驗過程延長至三周，是標準2D模型系統(tǒng)的4倍多，還能夠為科學家們提供更多信息來闡明患者機體感染的發(fā)生過程以及不同干預措施對患者疾病的效果。

　　下一個階段研究人員希望同位于德班的非洲衛(wèi)生研究院的研究人員進行合作研究，目前在德班有著較高的結核病發(fā)病率，而且研究人員也希望盡快引入這種3D模型來對高風險結核病患者機體的細胞進行深入研究。

　　研究者Elkington補充道，我們很高興能夠對研究進一步擴展，并且聯合多個專家開發(fā)新一代的實驗室系統(tǒng)來用于更多疾病的研究，尤其是那些在資源匱乏國家中比較流行的傳染性疾病;同時我們也將利用所開發(fā)的新型3D模型來同對臨床樣本進行研究的工程學和生物學方法進行整合，最終開發(fā)出用于研究人類機體感染的全新系統(tǒng)。

　　來自非洲衛(wèi)生研究院的研究人員Al Leslie博士表示，目前我們同很多傳染病專家以及工程師在一起工作，我們堅信通過長期的聯合研究定能在結核病領域的研究取得突破性的研究成果，同時我們也希望能夠開發(fā)出新型療法來有效抵御結核病的傳播，當然本文中所開發(fā)的新型3D模型也將會加速我們在抵御致死性疾病傳播領域的發(fā)現步伐。

　　5. Biofabrication：首次開發(fā)出三維生物打印機打印人皮膚

　　在一項新的研究中，來自西班牙馬德里卡洛斯三世大學(UC3M)和格雷戈里奧-馬拉尼翁綜合大學醫(yī)院(Hospital General Universitario Gregorio Mara?ón)的研究人員與BioDan集團(BioDan Group)合作，開發(fā)出一種三維生物打印機原型，從而能夠制造出完全功能性的人類皮膚。這種皮膚適用于移植到病人體內或者用于研究或測試化妝品、化工產品和藥用物品。相關研究結果近期發(fā)表在Biofabrication期刊上，論文標題為“3D bioprinting of functional human skin: production and in vivo analysis”。

　　在這項研究中，研究人員首次證實利用這種新的三維打印技術制造出合適的人類皮膚是可能的。論文共同通信作者、UC3M生物工程與航空航天工程系教授José Luis Jorcano指出這種皮膚“能夠被移植到病人體內，或者用于商業(yè)環(huán)境中大量地測試化工產品、化妝品或藥用物品，并且針對這種測試制定出與這些用途相匹配的時間表和價格”。

　　這種新的人類皮膚是利用生物打印制造出的人類器官之一。它具有天然的人類皮膚的組織結構：位于最外面的具有角質層的表皮，起著抵御外部環(huán)境的作用;比表皮位于更深處和更厚的真皮。真皮是由產生膠原蛋白的成纖維細胞組成的。膠原蛋白讓皮膚具有彈性和機械強度。

　　生物墨水(bioink)是三維生物打印的關鍵。當利用三維生物打印機制造皮膚而不是墨水盒和彩色墨水時，研究人員使用了攜帶生物組分的噴射器。根據格雷戈里奧-馬拉尼翁綜合大學醫(yī)院研究員Juan Francisco del Ca?izo的說法，“了解如何混合這些生物組分、在什么條件下利用它們開展研究以至于細胞不會發(fā)生功能惡化以及如何正確地儲存產品，在這種系統(tǒng)中發(fā)揮著至關重要的作用?！眱Υ孢@些生物墨水的行為是由一臺計算機控制著的。這臺計算機以一種有序的方式將它們儲存在打印床上，隨后制造出人皮膚。

　　制造這些組織的過程能夠以兩種方式開展：利用很多細胞制造同種異體皮膚用于工業(yè)過程;利用病人自己的細胞制造自體皮膚用于治療目的，如用于治療重度燒傷，這種自體皮膚制造方法依具體情況而定。研究人員注意到，“我們僅使用人細胞和組分制造出具有生物活性的皮膚，這種皮膚能夠產生它自己的人膠原蛋白，因而避免其他方法中使用的動物膠原蛋白?！边@并不是全部，這是因為他們也正在尋找打印其他人組織的方法。

　　這種新技術具有幾種優(yōu)勢。BioDan集團首席執(zhí)行官Alfredo Brisac指出，“這種生物打印方法允許以一種標準化的自動化方法制造皮膚，而且這種方法并不如手工制造那么昂貴?！?/p>

　　當前，這種制造方法正在接受不同的歐洲監(jiān)管機構的審批以便確保制造出的這種皮膚適用于移植到燒傷病人和具有其他皮膚問題的那些病人體內。此外，這些組織能夠被用于測試藥用物品、化妝品消費者化工產品，畢竟當前的法律要求這種測試不能在動物體內開展。

　　6. Cell Stem Cell:創(chuàng)造人工腎臟可能需要這種技術

　　美國薩克研究所的科學家們最近開發(fā)了一種在體外培養(yǎng)腎祖細胞(Nephron Progenitor Cells)的方法，在此之前一些維持腎祖細胞培養(yǎng)的嘗試經常失敗，培養(yǎng)的細胞或者死亡或者失去發(fā)育潛能，無法保持祖細胞狀態(tài)。

　　腎祖細胞，至少對人類來說，經常只存在于胚胎發(fā)育的一個短暫階段。這些細胞會繼續(xù)發(fā)育形成腎單位，負責血液過濾排出尿液。但是成人體內不存在腎祖細胞，在損傷或疾病狀態(tài)下，不能生成新的腎臟組織。科學家們認為在實驗室中獲得腎祖細胞將為研究腎臟發(fā)育最終幫助治療腎臟疾病提供一種新方式。

　　其他科學家曾經使用誘導多能干細胞獲得腎祖細胞樣細胞，這種方法通常需要花費很長時間，并且很難分離得到比較純的細胞群體，產生的腎祖細胞樣細胞也只能維持較短時間，幾天之內就會發(fā)育成熟變成成體腎臟細胞，因此一直以來沒有穩(wěn)定的祖細胞群體可供科學研究。

　　在研究伊始，研究人員直接從小鼠胚胎中分離腎祖細胞，開發(fā)能夠維持祖細胞狀態(tài)的方法。他們發(fā)現如果將細胞培養(yǎng)在3D培養(yǎng)條件下，再加入一些信號分子混合物，就能夠長時間穩(wěn)定維持腎祖細胞狀態(tài)。隨后將這些3D培養(yǎng)的祖細胞轉移到其他條件或移植到動物體內可以發(fā)育形成具有功能的腎單位樣結構。

　　接下來研究人員又利用人類胚胎腎祖細胞以及從干細胞分化得到的人類腎祖細胞找到了適用于人類腎祖細胞培養(yǎng)的方法。他們再一次證明這種方法能夠在體外長期維持腎祖細胞。研究人員表示該研究使用的3D培養(yǎng)策略也有可能應用于其他類型祖細胞的培養(yǎng)。他們計劃接下來研究培養(yǎng)發(fā)育成完整腎臟所需的其他類型祖細胞的方法。如果能夠實現對其他類型祖細胞的培養(yǎng)，那距離創(chuàng)造一顆可供移植的人工腎臟將不再遙遠。