加州大學(xué)用天然材料3D生物打印離體組織篩選藥物
12月4日,從外媒獲悉,加州大學(xué)圣地亞哥分校的生物工程師開(kāi)發(fā)了一種易于使用的3D生物打印技術(shù),用天然材料制作逼真的器官組織模型。作為概念驗(yàn)證,加州大學(xué)圣地亞哥分校的3D打印血管網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)⑷橄侔┠[瘤保持在體外,并且是血管化人體腸道的模型。
(L-R):生物工程研究生Michael Hu和本科生Xin Yi(Linda)Lei使用他們團(tuán)隊(duì)的新3D生物打印技術(shù)構(gòu)建血管化腸道模型
研究人員表示,本項(xiàng)研究的目標(biāo)不是制造可以植入體內(nèi)的人造器官,而是制造易于生長(zhǎng)的人體器官模型,可以在體外研究或用于藥物篩選。
本研究的第一作者,生物工程博士生Michael Hu說(shuō):“我們希望讓日常科學(xué)家更容易 - 他們可能沒(méi)有其他3D打印技術(shù)所需的專(zhuān)業(yè)化 - 制作他們正在研究的任何人體組織的3D模型,模型將比標(biāo)準(zhǔn)的2D或3D細(xì)胞培養(yǎng)更先進(jìn),并且在測(cè)試新藥時(shí)與人類(lèi)更相關(guān),目前在動(dòng)物模型上進(jìn)行!
為了建立一個(gè)活的血管網(wǎng)絡(luò),研究人員首先使用Autodesk數(shù)字化設(shè)計(jì)一個(gè)支架。研究人員使用商用3D打印機(jī),用稱(chēng)為聚乙烯醇的水溶性材料打印支架。然后,他們將由天然材料制成的厚厚涂層倒在支架上,讓它固化并固化,然后將支架材料沖洗到內(nèi)部以形成中空血管通道。接下來(lái),他們用內(nèi)皮細(xì)胞覆蓋通道內(nèi)部,內(nèi)皮細(xì)胞是排列在血管內(nèi)部的細(xì)胞。最后一步是使細(xì)胞培養(yǎng)基流過(guò)血管以保持細(xì)胞存活和生長(zhǎng)。
血管由體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的天然物質(zhì)制成,如纖維蛋白原(一種在血凝塊中發(fā)現(xiàn)的化合物)和Matrigel,一種可商購(gòu)的實(shí)際哺乳動(dòng)物細(xì)胞外基質(zhì)形式。
然而,發(fā)現(xiàn)合適的材料是最大的挑戰(zhàn)之一,該研究的共同作者,生物工程本科生Xin Yi (Linda) Lei表示。 “我們想要使用天然材料而不是合成材料,因此我們可以盡可能地制作與身體內(nèi)部物品盡可能接近的材料。他們還需要能夠使用我們的3D打印方法。”
Ami Dailamy是馬里實(shí)驗(yàn)室的生物工程研究生,他設(shè)計(jì)了一個(gè)3D打印支架
在一組實(shí)驗(yàn)中,研究人員使用打印的血管來(lái)保持乳腺癌腫瘤組織在體外存活!拔覀兊南M牵覀兛梢赃\(yùn)用我們的系統(tǒng)制作可用于測(cè)試體外抗癌藥物的腫瘤模型,”Michael Hu說(shuō)。他們從小鼠中提取腫瘤碎片,然后將一些碎片嵌入打印的血管網(wǎng)絡(luò)中。其他部分保存在標(biāo)準(zhǔn)3D細(xì)胞培養(yǎng)物中。三周后,封裝在血管印跡中的腫瘤組織保持活著。與此同時(shí),那些處于標(biāo)準(zhǔn)3D細(xì)胞培養(yǎng)中的人大部分已經(jīng)死亡。
在另一組實(shí)驗(yàn)中,研究人員創(chuàng)建了血管化腸道模型。該結(jié)構(gòu)由兩個(gè)通道組成。一個(gè)是直腸管,內(nèi)襯腸上皮細(xì)胞以模仿腸道。另一個(gè)是血管通道(內(nèi)襯細(xì)胞),在腸道周?chē)P(pán)旋。目的是重建一個(gè)被血管網(wǎng)絡(luò)包圍的腸道。然后給每個(gè)通道提供針對(duì)其細(xì)胞優(yōu)化的培養(yǎng)基。在兩周內(nèi),開(kāi)始呈現(xiàn)更逼真的形態(tài)。例如,腸道已經(jīng)開(kāi)始發(fā)芽絨毛,絨毛是腸壁內(nèi)側(cè)的微小指狀突起。
“通過(guò)這種策略,我們可以開(kāi)始在離體環(huán)境中制造復(fù)雜,長(zhǎng)壽的系統(tǒng)。未來(lái),這可能取代動(dòng)物用于制造這些系統(tǒng),這就是現(xiàn)在所做的,”Mali說(shuō)。
“這是一個(gè)概念證明,表明我們可以將不同類(lèi)型的細(xì)胞組織在一起,如果我們想要在體內(nèi)模擬多器官相互作用,這很重要。在一個(gè)打印品中,我們可以創(chuàng)建兩個(gè)不同的局部環(huán)境,每個(gè)環(huán)境保持不同活著的細(xì)胞類(lèi)型,并放在一起足夠接近,以便它們可以相互作用,”Hu說(shuō)。
該工作最近發(fā)表在Advanced Healthcare Materials上。未來(lái)的工作將集中在優(yōu)化打印血管和開(kāi)發(fā)更接近模仿體內(nèi)血管化腫瘤模型。
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