3D打印技術(shù)：多器官微流控芯片
魔猴君 行業(yè)資訊 2563天前
新藥研發(fā)過程中的藥物毒、副作用測(cè)試是生物3D打印器官或組織最早體現(xiàn)出商業(yè)價(jià)值的領(lǐng)域。近年來，美國(guó)北卡羅來納州維克森林再生醫(yī)學(xué)研究所（WFIRM）等科研機(jī)構(gòu)的科學(xué)家們，將類似的生物3D打印技術(shù)與微流控芯片相結(jié)合，研發(fā)在藥物測(cè)試領(lǐng)域具有應(yīng)用價(jià)值的多器官微流控芯片。
近日，WFIRM等科研機(jī)構(gòu)的科學(xué)家們?cè)赟cientific Reports期刊發(fā)表了題為Multi-tissue interactions in an integrated three-tissue organ-on-a-chip platform的研究論文。論文中指出，有些藥物經(jīng)長(zhǎng)期的臨床前試驗(yàn)和臨床試驗(yàn)后，仍會(huì)由之前未預(yù)測(cè)到的毒副作用而被食品藥品監(jiān)督機(jī)構(gòu)召回。出現(xiàn)這些情況的一個(gè)原因是藥物在研發(fā)時(shí)缺乏能夠準(zhǔn)確概括人類器官的正常組織功能和對(duì)藥物化合物反應(yīng)的模型系統(tǒng)。
在人體中，每個(gè)器官或組織都不是獨(dú)立存在的，它們均處于人體內(nèi)一種高度集成、動(dòng)態(tài)交互的環(huán)境當(dāng)中，其中一個(gè)組織的動(dòng)作可能影響到與之相關(guān)的其他組織。在此背景下，WFIRM等科研機(jī)構(gòu)的科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)了一種具有肝臟、心臟和肺組織結(jié)構(gòu)的多器官芯片系統(tǒng)。通過這一多器官微流控芯片系統(tǒng)，研究團(tuán)隊(duì)可以觀察到依賴于組織間相互作用的藥物反應(yīng)，并描述多組織芯片系統(tǒng)在目標(biāo)藥物毒、副作用體外測(cè)試中的價(jià)值。
研究團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是研發(fā)出一個(gè)具有灌注驅(qū)動(dòng)的、功能強(qiáng)大的多器官芯片系統(tǒng)。該芯片系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式，是將單個(gè)組織構(gòu)建體容納在由常規(guī)聚二甲基硅氧烷（PDMS）軟光刻和模塑形成的模塊化微反應(yīng)器中。該系統(tǒng)可連續(xù)串聯(lián)連接，且支持在將來的研究中將更多的器官組織整合到芯片系統(tǒng)中。
由于芯片中心臟、肝臟和肺組織具有不用的制造要求，研究團(tuán)隊(duì)使用生物3D打印機(jī)和不同成分的“生物墨水”分別制造三種組織。例如，芯片中的肝臟類器官的生物墨水是由原代人體肝臟細(xì)胞、星狀細(xì)胞和庫普弗細(xì)胞等材料構(gòu)成的，而心臟組織的生物墨水是由誘導(dǎo)多功能干細(xì)胞等材料構(gòu)成的。打印完成后，研究團(tuán)隊(duì)使用ECM衍生的生物墨水或朊蛋白和明膠生物蛋白將這些組織轉(zhuǎn)移到芯片的微反應(yīng)器中。肺組織是在具有類似因子的微反應(yīng)器中制造的，其中具有固定的半多孔膜、肺成纖維細(xì)胞、上皮細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞。在完成三種組織的生物3D打印之后，研究團(tuán)隊(duì)將裝置密封并連接到循環(huán)灌注系統(tǒng)。芯片中的流體由微蠕動(dòng)泵進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
論文的作者之一Aleks Skardal表示，這一多器官芯片在用于藥物測(cè)試時(shí)所體現(xiàn)出來的顯著的價(jià)值是，除了體現(xiàn)出藥物對(duì)于目標(biāo)治療器官的副作用之外，還能夠體現(xiàn)出藥物對(duì)于其他器官的副作用。例如，當(dāng)這個(gè)多器官芯片被用于測(cè)試癌癥治療藥物時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)可以同時(shí)測(cè)試出藥物對(duì)于肺和心臟的副作用。
同時(shí)指出，多器官芯片系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域是藥物測(cè)試，如果這類具有多器官的微流控芯片系統(tǒng)應(yīng)用于新藥的藥物測(cè)試領(lǐng)域，有望在藥物開發(fā)過程的早期識(shí)別藥物的毒、副作用，提高新藥研發(fā)的成功率、節(jié)省研發(fā)費(fèi)用。此外，該系統(tǒng)在個(gè)性化醫(yī)療領(lǐng)域有一定的應(yīng)用價(jià)值，例如幫助醫(yī)生預(yù)測(cè)個(gè)體患者對(duì)于治療方式的反應(yīng)。
人體器官芯片（organs-on-a-chip）是近幾年發(fā)展起來的一種新興前沿交叉學(xué)科技術(shù)，它以前所未有的方式見證機(jī)體的多種生物學(xué)行為，在新藥發(fā)現(xiàn)、疾病機(jī)制和毒性預(yù)測(cè)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。在這個(gè)領(lǐng)域中的微流控芯片技術(shù)(Microfluidics)則是把生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)分析過程的樣品制備、反應(yīng)、分離、檢測(cè)等基本操作單元集成到一塊微米尺度的芯片上，自動(dòng)完成分析全過程。由于它在生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的巨大潛力，已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、流體、電子、材料、機(jī)械等學(xué)科交叉的嶄新研究領(lǐng)域。
據(jù)市場(chǎng)研究，3D打印技術(shù)與微流控芯片的結(jié)合點(diǎn)，除了WFIRM研究團(tuán)隊(duì)在制造多器官芯片中三種不同組織時(shí)所使用的生物3D打印技術(shù)，還有另外一類具有潛力的應(yīng)用，即：通過3D打印設(shè)備直接制造微流控芯片。
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