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3D器官打印必将成为生物治疗的新突破点

日期: 2018-05-31
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近年来,生物治疗日益受到国内外学者关注,尤其是干细胞技术在生物治疗领域有很大的突破。干细胞不管是在免疫治疗方面,还是临床治疗方面都带来了可喜的成绩,而3D技术的成熟,拉开了干细胞二维向三维升级的帷幕,有望带动生物创新大革命,带给人类医疗技术的全新升级。那么,3D技术会为未来生物治疗发展带来怎样的影响呢?就这些问题,希瑞生命集团高级顾问,虚拟现实3D技术资深专家任昊博士接受了采访。

3D技术推动干细胞技术升级

各国政府的推动下,再生医学研究在近年获得巨大发展,干细胞作为再生医学最具活力的研究领域得到非常快的发展。干细胞在生命科学、新药试验和疾病研究这三大领域中具有巨大研究和应用价值,现已广泛应用于医药再生细胞替代治疗和药物筛选等领域,成为世界关注和研究的焦点。

随着3D技术的出现,干细胞技术有了突破性的发展。以往干细胞研究仅停留在二维状态下,经培养皿处理后应用于临床治疗研究。如今3D技术将干细胞研究带入三维状态,利用3D技术打印人体组织或器官模型,让干细胞在模型环境中自然生长。这种将干细胞技术与3D技术相结合的方式,可以让干细胞研究在更接近自然环境的条件下进行,研究人员能够观察到细胞在三维空间内彼此复杂地相互作用,这对干细胞研究应用有极大的推动作用。

3D器官打印必将成为生物治疗的新突破点

3D打印促进创新医疗新发展

目前,3D技术已经可以打印很多骨关节产品,包括髋关节、膝关节,甚至还有局部的骨骼产品。比如可以根据病患的头盖骨缺损部位进行数字扫描,然后3D打印出合适的骨片覆盖在缺损部位。

然而,将干细胞技术与3D技术相结合,诱导出完全能满足人体应用需求的器官是全世界的前沿课题,各国专家都在研究,目前难度还很大,比如如何诱导干细胞像医生们期望的那样生长成不同的组织,如何让这些打印出的器官和人体原有器官无缝衔接,不排斥,功能良好;如何解决打印器官的“保质”问题……总之,这已不仅仅是3D打印方面的专家能独立操作解决的问题,需要和医学专家、生物学专家、计算机专家,甚至设计和数学方面的专家一起合作才有可能实现突破性进展。

但是,一旦此项技术落成,将给生物学界带来难以想象的影响。器官打印一旦成熟,或许会彻底改变人类生活。比如人体器官衰竭无须配型找供体,而是直接应用3D干细胞技术打印人体肝脏植入患者体内。任博解释说,3D打印器官具体可以用可降解材料先打印出肝脏支架,在支架上附着干细胞,干细胞沿着器官模型迅速生长,有的生长成肌肉,有的生长成表面的组织,最后还要实现血管和神经等系统的再造,最后支架降解,打印出来的肝脏就能发挥肝脏应有的作用。

不仅如此, 3D打印组织模型有助于医生“精准手术”。运用3D技术以1:1的比例打印患者病变器官模型,能让医生在术前熟悉患者器官的具体情况。以往对手术技术细节,医生只能够根据经验判断,而现在医生们有了新的选择,能用生物3D打印技术制作器官模型,在模型上先进行了一次“模拟手术”。因而能针对性地研究出手术方案,大大提高手术成功率。

打印器官上市未来可期

任博介绍,3D生物打印的应用主要有三个阶段:体外手术模型、打印可用于植入人体的类器官和组织以及利用细胞打印出活性器官和组织。

上面我们说的器官模型是第一类。目前,该技术还运用于神经外科及脊柱外科的个性化手术模型、假肢等,在复杂病例的手术中,有利于术前规划、辅助病人了解病情以及医疗培训,极大造福了病人。

3D生物打印技术应用的第二个阶段是打印体内植入物。“现有的软组织修复材料,如动物组织、胶原等,会带来动物疾病传播、免疫排异、力学性能弱等问题,而传统的合成材料,也具有不降解、力学顺应性差、组织再生性差等局限。而3D打印在个性化以及微观仿生方面具有突出的优势。”他说。

在这个阶段,利用3D生物打印技术可以打印出具备良好生物相容性的人体组织,而使用的材料是关键难题。根据目标部位的差异,有些材料要求不降解,成为永久植入物,而部分材料则要求可以降解,跟人体组织相互发生作用,促进组织再生。目前,任博带领的科研团队正在研究此类产品,。他们正在研究微观层面上的人体组织纤维结构,搭建有利于细胞爬行、成长的支架。

在前面两个发展阶段的基础上,任博表示,利用细胞打印出活性器官和组织,才是现代意义上的3D生物打印,能够真正实现“快速成型”,也将会是应用潜力最大、应用范围最广的3D生物打印技术。

3D器官打印必将成为生物治疗的新突破点

图为肾小管及肾小球3D打印模型

任博认为,从技术层面,还至少需要克服三个挑战。首先,需要解决打印过程中脆弱的细胞能否存活、能否发育、会否变异甚至肿瘤化的问题;其次,3D生物打印机必须满足生物仿生对制造精度及准确性的极高要求;第三,组织及器官是由多材料及多细胞组成的非均质体系,对制造学要求也极高。

在国外,3D生物打印研究重镇美国韦克福雷斯特大学团队曾在2006年成功利用细胞扩增技术在体外培植膀胱。去年2月,该大学的研究团队利用新开发的3D生物打印系统打印出人造耳朵、骨头和肌肉组织,移植到动物身上后都能保持活性。

虽然如此,专家们也提醒,实验室成功不等于产业化成功。对医疗产品来说,在应用于人体之前必须符合国家法规,且在安全性、有效性方面符合临床要求,这需要大量的实验验证。据估算,一个不含细胞的用于组织修复的3D打印产品从研发到上市,大致需要5年到6年时间。而含活细胞的3D打印产品,因尚有诸多技术难题待突破,还不能估计上市时间。

在采访的最后,任博表示:“虽然时间很长,但我们不能停止在这方面的创新和研究。相信通过各个领域专家的通力合作,我们一定能早日实现人类打印自身器官的科学梦。

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