細(xì)看3D打印技術(shù)如何推動(dòng)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的進(jìn)步

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

　　近日，來自南安普敦大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究人員通過研究開發(fā)了一種在實(shí)驗(yàn)室用于研究人類機(jī)體感染的新型3D模型，文章中研究人員利用靜電封裝技術(shù)制造出了一種小型3D球體，其能夠在被結(jié)核分枝桿菌(TB)感染的人類細(xì)胞中產(chǎn)生密切反映患者機(jī)體疾病的狀況，相關(guān)研究刊登于國(guó)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(jī)體感染結(jié)核病時(shí)所發(fā)生的事件，同時(shí)研究者也希望基于本文研究結(jié)果開發(fā)出新型的抗生素療法和抵御結(jié)核病的疫苗。研究者Paul Elkington教授說道，這是結(jié)核病研究領(lǐng)域的一項(xiàng)重大研究進(jìn)展，這種3D球體能夠在膠原蛋白基質(zhì)中被創(chuàng)建以便其看起來和人類肺部非常相似，與此同時(shí)也能夠產(chǎn)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(jié)核的細(xì)菌，目前這在其它2D模型系統(tǒng)中還無法實(shí)現(xiàn)，這種新系統(tǒng)或?qū)⒓铀傺芯咳藛T尋找治療人類結(jié)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(jié)構(gòu)還能夠?qū)⒄麄€(gè)實(shí)驗(yàn)過程延長(zhǎng)至三周，是標(biāo)準(zhǔn)2D模型系統(tǒng)的4倍多，還能夠?yàn)榭茖W(xué)家們提供更多信息來闡明患者機(jī)體感染的發(fā)生過程以及不同干預(yù)措施對(duì)患者疾病的效果。

　　下一個(gè)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(jìn)行合作研究，目前在德班有著較高的結(jié)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(duì)高風(fēng)險(xiǎn)結(jié)核病患者機(jī)體的細(xì)胞進(jìn)行深入研究。

　　研究者Elkington補(bǔ)充道，我們很高興能夠?qū)ρ芯窟M(jìn)一步擴(kuò)展，并且聯(lián)合多個(gè)專家開發(fā)新一代的實(shí)驗(yàn)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(guó)家中比較流行的傳染性疾病;同時(shí)我們也將利用所開發(fā)的新型3D模型來同對(duì)臨床樣本進(jìn)行研究的工程學(xué)和生物學(xué)方法進(jìn)行整合，最終開發(fā)出用于研究人類機(jī)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(jiān)信通過長(zhǎng)期的聯(lián)合研究定能在結(jié)核病領(lǐng)域的研究取得突破性的研究成果，同時(shí)我們也希望能夠開發(fā)出新型療法來有效抵御結(jié)核病的傳播，當(dāng)然本文中所開發(fā)的新型3D模型也將會(huì)加速我們?cè)诘钟滤佬约膊鞑ヮI(lǐng)域的發(fā)現(xiàn)步伐。

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

　　在一項(xiàng)新的研究中，來自西班牙馬德里卡洛斯三世大學(xué)(UC3M)和格雷戈里奧-馬拉尼翁綜合大學(xué)醫(yī)院(Hospital General Universitario Gregorio Mara?ón)的研究人員與BioDan集團(tuán)(BioDan Group)合作，開發(fā)出一種三維生物打印機(jī)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(nèi)或者用于研究或測(cè)試化妝品、化工產(chǎn)品和藥用物品。相關(guān)研究結(jié)果近期發(fā)表在Biofabrication期刊上，論文標(biāo)題為“3D bioprinting of functional human skin: production and in vivo analysis”。

　　在這項(xiàng)研究中，研究人員首次證實(shí)利用這種新的三維打印技術(shù)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(nèi)，或者用于商業(yè)環(huán)境中大量地測(cè)試化工產(chǎn)品、化妝品或藥用物品，并且針對(duì)這種測(cè)試制定出與這些用途相匹配的時(shí)間表和價(jià)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(jié)構(gòu)：位于最外面的具有角質(zhì)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(chǎn)生膠原蛋白的成纖維細(xì)胞組成的。膠原蛋白讓皮膚具有彈性和機(jī)械強(qiáng)度。

　　生物墨水(bioink)是三維生物打印的關(guān)鍵。當(dāng)利用三維生物打印機(jī)制造皮膚而不是墨水盒和彩色墨水時(shí)，研究人員使用了攜帶生物組分的噴射器。根據(jù)格雷戈里奧-馬拉尼翁綜合大學(xué)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(xì)胞不會(huì)發(fā)生功能惡化以及如何正確地儲(chǔ)存產(chǎn)品，在這種系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用?！眱?chǔ)存這些生物墨水的行為是由一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制著的。這臺(tái)計(jì)算機(jī)以一種有序的方式將它們儲(chǔ)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(xì)胞制造同種異體皮膚用于工業(yè)過程;利用病人自己的細(xì)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(xì)胞和組分制造出具有生物活性的皮膚，這種皮膚能夠產(chǎn)生它自己的人膠原蛋白，因而避免其他方法中使用的動(dòng)物膠原蛋白。”這并不是全部，這是因?yàn)樗麄円舱趯ふ掖蛴∑渌私M織的方法。

　　這種新技術(shù)具有幾種優(yōu)勢(shì)。BioDan集團(tuán)首席執(zhí)行官Alfredo Brisac指出，“這種生物打印方法允許以一種標(biāo)準(zhǔn)化的自動(dòng)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(dāng)前，這種制造方法正在接受不同的歐洲監(jiān)管機(jī)構(gòu)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(nèi)。此外，這些組織能夠被用于測(cè)試藥用物品、化妝品消費(fèi)者化工產(chǎn)品，畢竟當(dāng)前的法律要求這種測(cè)試不能在動(dòng)物體內(nèi)開展。

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

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

　　腎祖細(xì)胞，至少對(duì)人類來說，經(jīng)常只存在于胚胎發(fā)育的一個(gè)短暫階段。這些細(xì)胞會(huì)繼續(xù)發(fā)育形成腎單位，負(fù)責(zé)血液過濾排出尿液。但是成人體內(nèi)不存在腎祖細(xì)胞，在損傷或疾病狀態(tài)下，不能生成新的腎臟組織?？茖W(xué)家們認(rèn)為在實(shí)驗(yàn)室中獲得腎祖細(xì)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(xué)家曾經(jīng)使用誘導(dǎo)多能干細(xì)胞獲得腎祖細(xì)胞樣細(xì)胞，這種方法通常需要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間，并且很難分離得到比較純的細(xì)胞群體，產(chǎn)生的腎祖細(xì)胞樣細(xì)胞也只能維持較短時(shí)間，幾天之內(nèi)就會(huì)發(fā)育成熟變成成體腎臟細(xì)胞，因此一直以來沒有穩(wěn)定的祖細(xì)胞群體可供科學(xué)研究。

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

　　接下來研究人員又利用人類胚胎腎祖細(xì)胞以及從干細(xì)胞分化得到的人類腎祖細(xì)胞找到了適用于人類腎祖細(xì)胞培養(yǎng)的方法。他們?cè)僖淮巫C明這種方法能夠在體外長(zhǎng)期維持腎祖細(xì)胞。研究人員表示該研究使用的3D培養(yǎng)策略也有可能應(yīng)用于其他類型祖細(xì)胞的培養(yǎng)。他們計(jì)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(xì)胞的方法。如果能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)其他類型祖細(xì)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(yuǎn)。