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为研究抗新冠病毒新药,科学家用3D技术打印了微型器官

神译局 · 2020-08-04
3D生物打印技术新应用。

神译局是36氪旗下编译团队,关注科技、商业、职场、生活等领域,重点介绍国外的新技术、新观点、新风向。

编者按:疫情已经在全球肆虐了半年之久,全球的科学家也在加快抗病毒新药的研究。一些研究人员利用3D生物打印技术,打造人体微型器官,以此来研究新冠病毒的药物疗效。这种创新的背后有什么科学依据?这个项目有什么优势?多久可以实现推广?记者通过采访几家研究所的科研人员,为读者介绍这种3D生物打印技术新应用。本文作者Ellen Rosen,原文标题“A Possible Weapon Against the Pandemic: Printing Human Tissue”。

在实验室里,科学家正在用3D打印技术打造人体皮下组织和血管。在疫情期间,3D生物打印技术可以用来研究抗新冠病毒药物的药效|图片来自《纽约时报》

用3D打印技术打印微型器官

新冠疫情发展到现在,3D打印技术有效缓解了个人防护设备短缺的问题。

但是3D技术只能打印防护设备吗?Wake Forest再生医学研究所所长安东尼·阿塔拉(Anthony Atala)给出了否定的答复。现在,他和他的团队正在以一种十分创新的方式应用3D打印技术:打造微缩版的人体器官(有些器官和针头一样细小),用于检测新冠病毒的特效药。

目前,这个小组正在打造微缩版的人体肺部和结肠,根据现有的数据,这两种器官尤其受新冠病毒的影响。他们将打印好的器官通过快递送到弗吉尼亚州的乔治·梅森大学的生物安全实验室进行测试。

7月14日,阿塔拉在他的实验室里|图片来自《纽约时报》,摄影Jeremy M. Lange

据悉,阿塔拉和团队最初是徒手搭建微缩器官的,随着疫情的加速,他们及其他生物实验室需要的器官越来越多,他们决定用3D打印技术直接打印器官。

在过去的几年中,阿塔拉所在的研究所已经尝试过打印器官的细胞簇,用以研究寨卡病毒对人体的传染性及特效药。他在北卡罗来纳州的实验室接受记者采访时说:“我们那时候从未想到这个方法也可以用来研究新冠病毒。”

现在,他的团队有能力在一小时内印制上千个微型器官。

3D生物打印技术:科幻变现实

打印微型器官无疑是3D生物打印技术的一种应用。尽管这种技术目前还没有广泛应用,但已经有越来越多的病患从中受益。我们现在还不能直接打印出一个完整的活人,但研究人员已经可以用打印好的器官进行药物研究,或者根据需要打印出一块皮肤和标准尺寸的器官用于人体移植,这对肝脏衰竭者或烧伤者来说是一个福音。另外,对于可能伤害动物或人体的测试(如化妆品测试),现在也都用3D生物技术代替活体实验了。

阿基列什·加哈瓦尔(Akhilesh Gaharwar)是得克萨斯农工大学生物医学系跨学科实验室的负责人,这个实验室致力于生物打印技术和其他再生医学技术。他对此评论道:“即使对我们(专业人员)来说,这种技术也像是只有科幻中才存在的。”

7月27日,阿基列什·加哈瓦尔正在和他的团队讨论|图片来自《纽约时报》

目前,生物打印技术对药物实验至关重要,不仅可以用来检测新冠病毒的特效药,还能检测包括癌症在内的多种疾病的药物。阿塔拉认为,用打印出的器官做药物实验还有一个好处:这些器官不会产生新陈代谢,可以让研究人员排除干扰因素,让实验结果更加准确。

他用一款名叫Rezulin的抗糖尿病药举例子。这是一款曾经非常流行的药,但后来被发现对肝脏有损害,于是在2000年左右被召回。阿塔拉说,他所在的实验室用剩下的Rezulin药片和微型器官做实验,结果证实了这种药物的毒性,因为两周之内微型肝脏的毒性指数明显提升了。他认为微型肝脏为实验提供了一个“纯净”的环境,便于控制变量,不会像临床试验那样受到实验个体情况的影响。

阿塔拉认为,生物技术实验将会是临床试验的一个重要补充,但不会完全替代临床试验。

如何打印器官和血管?

用生物打印技术制作出来的皮肤和器官可以用来检测某种药物或产品对人体的伤害。在传统的药物或产品检测中,一些对动物(如小白鼠)无伤害的成分最后却对人体有害。加哈瓦尔说:“3D生物制品可以让我们免于动物测试,直接研究人体能否适应某些成分。”他认为无论是从效果还是道德的角度考虑,用3D技术代替动物实验都是正确的选择。2013年,欧盟开始明文禁止化妆品公司用动物做实验。

这些微型器官的支架被研究人员称戏称为“手脚架”,是用可降解的材料做成的。这些支架内埋有直径为50微米(大约是人类头发的一半)的微型管道,为器官输送营养物质。在搭建好支架、安放好器官后,就可以在上面涂抹一层“生物墨水”——这是一种细胞和水凝胶合成的粘液,像蛋糕奶油一样刷在支架上。

微型器官还有一个重要的部分就是血管。

潘卡·卡兰德(Pankaj Karande)是伦斯勒理工学院化学与生物工程学院的助理教授,他从2014年开始研究如何打印皮肤,最近他的研究有了重大突破。他和他的团队使用一种特殊的纤维细胞和胶原蛋白做支架,这种细胞可以不断生长。他们以此为支架打印皮肤的表皮和真皮(皮肤的前两层)。卡兰德说:“看起来皮肤不介意被切成一块,皮肤细胞还是可以活下来。”

但是他们发现,没有血管做支持,打印出来的皮肤最终会脱落。于是卡兰德等人开始和耶鲁大学的两位研究人员合作,最终成功构建出了皮肤的第三层组织——皮下组织和血管。卡兰德说,第三层组织决定了移植后的皮肤是否可以存活。


突围Wake Forest研究所早期搭建的微型心脏|图片来自《纽约时报》

三个人着手开始进行试验,将合成血管的内皮细胞和包裹内皮细胞的周细胞整合到皮肤中。经过反复试验,他们终于在3D打印出的皮肤上成功打造了第三层皮下组织,将血管和皮肤融合在一起。

尽管这个项目目前还处于初级阶段(已经在小白鼠身上进行了测试),但这项技术将会在未来给人类更换皮肤和血管提供可能。

“个性化”成3D生物技术新挑战

卡兰德表示,这个项目是异常艰苦的,需要做很多实验,试错很多次。“我们先执行计划A,但它通常都是行不通的,然后我们开始在清单上找计划B,计划C,以此类推。我们最终的报告可能只有5页是写有效结果的,剩下5000页都是记录失败实验的。”

加哈瓦尔的实验室的重点在于如何打印可以移植的人体骨骼。他对记者说,他希望未来的移植骨骼流程如下:患者通过放射扫描,将需要移植的骨骼形状进行精准的呈现,然后再进行打印。他表示,这一点在颅面修复中至关重要,现有的颅面修复很难精准地重建缺失或受损的骨骼形状。

卡兰德和加哈瓦尔的观点一致。他认为3D生物打印技术中“个性化”的成分很重要。在打印移植的皮肤时,需要考虑被移植者的肤色。而且,鉴于皮肤对调节体温至关重要,因此他还在研究如何在皮肤中增加汗腺和毛囊。卡兰德表示:“当我们重新构建一块皮肤时,我们希望它有人体皮肤的全部功能。我们通过获取患者自己的细胞,以此为基础进行打印,希望能最大程度上排除患者身体对移植皮肤的排斥。”

“最激动人心的项目”

毫不意外的是,研究人员现在也在做研究数据的收集。Wake Forest研究所的成员正在和Oracle公司进行合作,从人体器官中捕获大量数据并使用人工智能进行分析。这个项目被认称为“芯片的人体”,基于收集到的数据,科学家可以用3D生物打印技术打造微缩版的人体器官,进行药物功效的研究。

据悉,一个切片上可以容纳10到12个迷你器官。

Oracle公司的健康科学部门首席科学家丽贝卡·拉伯德(Rebecca Laborde)表示:“我们现在在和研究人员、制药公司和生物技术公司进行合作,收集数据、开发新药,相信可以很快取得进展。”

她还补充说:“这么长时间以来,这是我遇到的最激动人心的项目。”

译者:Michiko

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