医疗和牙科

可行的3D生物印刷组织:动物测试替代或静止年份从现实中替换或静止年份?

在过去的十年里,3D生物打印取得了长足的进步,在开发可存活的、患者特异性软组织方面取得了重大进展。

利用微型皮肤模型,科学家们斯图加特大学,目前正在努力试验癌症药物的疗效和潜在的疗效淘汰动物实验,虽然像Cellink这样的商业公司致力于同样的原因该公司首席执行官埃里克•盖特霍尔姆(Erik Gatenholm)最近重申了公司的目标,即“通过提供替代模型,减少甚至在某些情况下取消动物试验”。

“我认为这一领域在过去五年中取得了重大进展,并对解剖学相关的结构的3D生物制出化进展顺利,”宾夕法尼亚州州州和领先的生物制版研究员副教授Ibrahim Ozbolat。“多家公司正试图为生物制品的支持结构商业化,因此在该方向上取得了很大的进展。”

相比之下,其他学者,如脑研究院的Juan Carlos Marvizon,说,人类组织是高度实验性的,并且如果他们完全准备好,那么仍然是人类药物检测应用的几十年。

Marvizon说:“从动物实验模型到体外系统的预期转变并没有发生。”“问题是,重要的是组织之间的相互作用,比如中枢神经系统和免疫系统之间的相互作用。除非你能3D打印出整个身体,否则你将无法预测药物将对病人产生什么影响。”

为了评估这场生物打印辩论的任何一方的主张,以及该领域的当前状态,3D打印行业向专家发表了讲话爱游戏备用网址脑研究所宾夕法尼亚州立大学CELLINKFluicell.CLECELLMimix Biotherapeutics3D Bioplinting Solutions.Upnano.aspect biosystems.谁让每个人都提供了对技术的陷阱和潜力前进的指导。

一种使用哑光体外细胞技术试验的科学家。
Cellink今年早些时候在全体技术专家Mattek获得了竞标,以创造一个无残忍的药物测试模型。通过MatTek照片。

微流体生物印刷机的潜力

通常,3D生物监测研究可以分解为使用挤出,喷墨和SLA进行的项目,以及压力和激光辅助技术,但在这些更广泛的方法中,微流体尤其越来越多地实现人体​​组织具有极端精度和微尺度。

自发射以来BIOPixlar平台2019年,Fluicell已成为微流控生物打印研发热潮背后的推动力量之一。由于其专有系统的精确性,该公司已经能够生产高度复杂的神经模型它认为,该技术在创建软组织方面具有巨大的潜力,未来可用于临床药物筛选。

Fluicell的CMCO Jonas Hannestad解释说:“Biopixlar以非常高的分辨率打印细胞的能力使研究人员能够实现更多相关的研究模型。”“使用生物打印取代动物研究的最大潜力在于使用生物打印模型在开发过程的早期获得关于药物效果的更好的知识。”

在其他地方,加拿大Aspect生物系统公司也采用了微流控3D生物打印方法,但在强调创造“现成的”治疗手段而不是药物测试工具的同时,这解决了该公司认为之前阻碍该技术作为替代测试模式应用的“规模困难”。

“虽然我们没有内部专注于将技术应用于药物筛查,但我们认为它可以提供更多预测性的药物开发过程中的数据,”Aspect Biosystems的高级经理,高级经理,高级经理,营销和通信。“我们目前的课程专注于胰腺和肝脏的疾病,因为它们目前正在动物测试中并朝着诊所驱动。”

使用Fluicell的Biopixlar平台,科学家能够精确地打印一系列基于细胞的结构(图为)。图片通过Fluicell。
使用Fluicell的Biopixlar平台,科学家们已经能够精确地3D打印脑细胞的结构(如图)。图片通过Fluicell。

人工组织的局限性

虽然微流体3D BioPlinting表现出很大的图案化电位,但在较大的结构内保持细胞活力仍然是他们更广泛的采用挑战。为了打击这一点,诸如Cellink之类的公司表示,基于细胞的添加剂制造的模型现在需要从实验室转变为临床研究,然后在药物检测中可以被视为可行的替代物。

“与动物模型相比,3D Bioplinted组织可以提供更快的结果,使用户可以更快地迭代实验,”Celink的CCO Ariel Kramer解释说。“目前的限制是需要在尺度上产生构造,而是模仿实验室的体内环境的结构。Cellink的技术如生物mdx.[3d Biopleinter]希望解决这些问题。“

与此同时,Mimix Biotherapeutics正在采用一种方法,即速度和简单性是制造可行生物打印组织的关键因素。在这些核心原则的基础上,公司不断地开发它的cymatiX声生物打印平台使用声波能量来操纵细胞簇,而不会导致它们进行剪切应力。

据该公司介绍,该技术能够大规模生产软组织,应用范围从药物研发、再生药物到素食肉类。然而,尽管Mimix的系统已经进入临床前试验阶段,但该公司承认,产品认证仍然是阻碍生物打印取得商业成果的几个挑战之一。

“生物制造工具箱面临诸如体内生物相关性,细胞量,有限的可接近性,微/宏血管化以及监管和社会挑战等挑战,”MIMIX BiothyaleAleputics的CERCE表示。“今天,我们觉得有信心的声学生物制作将带来解决方案来克服与血管化和体内相关相关的一些当前障碍。”

CymatiX简单、快速、可重复性好。在几秒钟内,你就可以用可控的结构构建大规模的细胞层,以模拟细胞外环境。”

有趣的是,随着UpNano的推出,它也进入了3D生物打印领域NanoOne生物系统他说,“它的目的不是打印整体组织结构。”相反,该公司专注于创造细胞培养的微结构,这将有助于减少临床试验后的动物实验数量。

In fact, speaking to 3D Printing Industry, UpNano has said that its machine is “already being used by customers in the biological environment and has proven itself,” and while it also sees printing material certification as one of the technology’s barriers to entry, it remains “convinced that 3D printing will establish itself in medical research.”

Upnano纳米生物生物与其孵化室。照片通过Upnano。
Upnano的纳米生物系统(如图)采用内置孵化室。照片通过Upnano。

疾病模型在行动

虽然对可扩展的3D BioPlinting进行了研究仍然是持续的,但现在该技术已经达到了越来越多地发现实验性疾病建模应用的程度。例如,韩国公司Clecell已利用其U-Fabtm Micro注射平台到3D打印a栩栩如生的上皮模型这有可能模拟呼吸道感染。

clcell首席技术官Su Yun Chae表示:“我们已经建立了一种3D呼吸上皮模型,用于COVID-19等疾病的研究。”“目前,我们还在开发乳腺癌模型,包括乳腺导管模型、胶质母细胞瘤模型、恶性脑瘤模型以及皮肤癌模型。”

“如果使用患者的癌症组织生产3D生物印刷癌组织,预计它们的治疗将大大提高,因为可以准确预测”最佳抗癌药物选择和药物效果“。”

同样,生物技术研究实验室3D生物监测解决方案在创造植入人体细胞方面取得了重大进展。使用他们的器官。在板上该实验室的科学家们已经成功做到了这一点制造骨组织,并进一步验证,扩大和标准化,他们认为它也可能成为一种重要的疾病建模工具。

“在大流行期间,测试2D组织的不同药物并未显示出良好的效力,”3D BioPlint Solutions的联合创始人Yusef Khesuani说。“为了检查抗Covid-19毒品,科学家必须使用转基因动物,这对许多实验室而言,也是许多国家的大问题。”

“我们需要准备好这些情况。他补充说,3D Bioplinted构造可能会成为这种不可预测的情况的良好解决方案。““我认为3D生物制药结构将在不久的将来替代药物测试中的2D组织。”

俄罗斯宇航员奥列格·科诺年科在国际空间站使用OrganAut。照片通过3D生物打印解决方案。
俄罗斯宇航员奥列格·科诺年科使用风琴。国际空间站上的AUT系统。照片通过3D生物打印解决方案。

生物打印:专家的判断

就像那些寻求将3D生物打印商业化的人一样,当谈到这项技术在生产动物测试替代品方面的潜力时,研究人员之间存在着相当大的分歧。作为一名神经生理学专家,马维松毫不含糊地表示,他怀疑3D生物打印技术能否准确地复制人体内部最复杂的自然结构。

马维森说:“在我的疼痛研究领域,我还没有看到任何使用3D打印技术的论文。”“在慢性疼痛中,相关事件发生在中枢神经系统(CNS),主要是在脊髓背角。要3D打印出这种背角极其复杂的结构将是极其困难和昂贵的。”

“微胶质细胞在几分钟内发生剧烈变化。你怎么要3d打印?“

Marvizon也对这项技术的药物开发潜力持怀疑态度,他说“生物医学研究的规则正在改变”,“生物技术和纳米技术的发展将使整个讨论在3D打印为药物开发做出哪怕是微小贡献之前就变得无关重要。”

另一方面,ozbolat认为,3D Bioplinting确实可以在未来的药物测试评估中适用,但“它取决于组织。”

“在主要器官中,臭栓解释说:”在主要器官中,就有很多与其他系统的互动。“如果你建造像胃肠道(GI)的东西,它也与大脑相互作用,创造一个具有GI火车和大脑的模型真的很难。但是,如果它只是与其他器官相互互动的皮肤,那么我们没有更好的代表。“

总之,奥兹博拉特补充说,他同意许多生物印刷企业的关切,因为“临床翻译是现在的主要问题之一。”试图将3D生物监测研究人员与监管机构的目标对齐,因此奥兹博拉特与FDA相遇,并提出了该技术的最新用术案例。

“我想从FDA获得关于这些技术临床翻译的潜力的反馈,我真的希望看到他们对我们所做的事情的看法,”ozbolat添加了。“这并不是关于在经济上提供支持,更多的是,它更多地支持我们的技术转移[进入临床环境]。”

微型3D生物打印胰腺。图像通过EPFL / A.赫尔佐格。
Readily3D的微型3D生物打印胰腺。图像通过EPFL / A.赫尔佐格。

3D生物打印技术准备好了吗?

3D BioPlinting Research可能仍处于实验阶段,但毫无疑问,新方法开始加速技术的发展。例如,慕尼黑应用科学大学研究人员开发了一种方法单细胞的分辨率打印,而ketily3d.正在努力3d生物印刷人胰腺用于测试未来的糖尿病药物。

然而,在这种创新能够应用于临床之前,许多业内专家都认为,围绕组织血管化和认证的问题需要解决,而这项技术的应用最终可能被证明是有限的,因为它无法复制人体特定区域内发生的复杂交互作用。

在这一点,3D系统'继续印刷给灌注计划及其发展生生物印刷机可移植器官,可能被证明是一种更可行的技术应用。尽管打印出完全尺寸的器官还为时尚早,但理论上它们可以通过编程来防止宿主的排异反应,这可能使它们成为比药物测试平台更有前途的研究途径。

Marvizon总结道:“也许关键不是把3D打印作为药物测试的工具,而是作为一种本身就具有实用性的技术。”“你必须与分子生物学合作。例如,你可以3D打印一个ACL,而不是使用一个从尸体上。使用dreadd(被操纵的蛋白质),你可以刺激它的生长,促进它与免疫系统的相互作用,避免组织排斥。”

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图片展示了一名科学家正在使用CELLINK子公司MatTek的体外技术进行实验。通过MatTek照片。

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