人類疾病研究3D將會發(fā)揮什么作用

誰會想到3D打印會與醫(yī)療關(guān)系密切，本文整理了科學(xué)家發(fā)表的多篇研究報(bào)告，共同解讀3D打印是如何在人類研究疾病中發(fā)揮作用的

在一項(xiàng)發(fā)表于Advanced Materials雜志的研究中，貝勒醫(yī)學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)當(dāng)前用于疝氣修復(fù)軟組織網(wǎng)片極易引發(fā)炎癥和內(nèi)臟粘連，因此他們開發(fā)了一種用于軟組織修復(fù)與炎癥調(diào)節(jié)的新型生物材料網(wǎng)片。該生物網(wǎng)片是通過原位磷酸鹽交聯(lián)的聚乙烯醇聚合物的3D生物打印制成的。在大鼠腹疝模型中生物網(wǎng)片充當(dāng)炎癥陷阱并捕獲植入部位分泌的促炎細(xì)胞因子，有效調(diào)節(jié)局部炎癥，而無需外源性抗炎劑。該生物網(wǎng)片在抑制內(nèi)臟粘連形成和最小化術(shù)后并發(fā)癥方面非常有效。

疝氣是最常見的軟組織損傷之一。腹內(nèi)內(nèi)容物(如腸環(huán))通過腹壁薄弱、缺損或受傷部位擠壓時(shí)形成疝氣。這種情況可能會發(fā)展成嚴(yán)重的并發(fā)癥，因此需要行疝氣修補(bǔ)術(shù)。修復(fù)包括通過外科手術(shù)植入人工網(wǎng)片來支撐和加固受損的腹壁，促進(jìn)愈合過程。然而，目前使用的網(wǎng)片植入物與潛在的不良術(shù)后并發(fā)癥有關(guān)。貝勒醫(yī)學(xué)院外科助理教授，這項(xiàng)研究的主要作者Crystal Shin博士說：“雖然疝氣網(wǎng)植入物的機(jī)械強(qiáng)度很強(qiáng)，能夠支撐腹部組織，使患者一開始感覺很舒服，但手術(shù)后大約三天，植入物會引發(fā)炎癥，在兩到三周內(nèi)會影響附近的器官，這是一個(gè)常見的問題?！保琒hin正在尋找解決術(shù)后疝氣并發(fā)癥的方法。

【2】Adv Funct Mat：科學(xué)家有望利用新型墨水3D打印出含有活細(xì)胞的骨組織!

近日，一篇發(fā)表在國際雜志Advanced Functional Materials上題為“Synthetic Bone‐Like Structures Through Omnidirectional Ceramic Bioprinting in Cell Suspensions”的研究報(bào)告中，來自新南威爾士大學(xué)等機(jī)構(gòu)的科學(xué)家們通過研究開發(fā)出了一種基于陶瓷的墨水，未來有望幫助外科醫(yī)生打印出能攜帶活細(xì)胞的3D骨骼部分，而這些活細(xì)胞能被用來修復(fù)損傷的骨組織。

文章中，研究人員使用了一種由磷酸鈣組成的特殊墨水的3D打印機(jī)進(jìn)行開發(fā)出了一種新技術(shù)—細(xì)胞懸浮液中的陶瓷全向生物打印技術(shù)(COBICS，ceramic omnidirectional bioprinting in cell-suspensions)，該技術(shù)能幫助他們打印出骨骼樣結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在水中放置幾分鐘后就會被硬化。盡管3D打印仿骨結(jié)構(gòu)的想法并不新鮮，但這是研究人員首次在室溫下創(chuàng)建攜帶活細(xì)胞的材料。

【3】Bioprinting：3D打印用于創(chuàng)造心臟細(xì)胞

人類新生命的誕生起始于單個(gè)細(xì)胞，然后分裂并最終形成胚胎。根據(jù)它們相鄰細(xì)胞發(fā)送的信號，這些分裂的細(xì)胞隨后發(fā)育或分化為特定的組織或器官。在再生醫(yī)學(xué)中，控制細(xì)胞的分化至關(guān)重要，干細(xì)胞可以分化以允許器官的體外生長并替代受損的成年細(xì)胞，特別是復(fù)制能力非常有限的成年細(xì)胞，例如大腦或心臟。

科學(xué)家在分化干細(xì)胞時(shí)采用的一種常見方法是使用化學(xué)刺激。盡管這種方法對于制造一種單一類型的細(xì)胞非常有效，但它缺乏復(fù)制復(fù)雜生物體的能力，在生物體中，多種細(xì)胞類型共存并協(xié)同形成一個(gè)器官。另外，受細(xì)胞發(fā)育的自然過程啟發(fā)，另一種方法涉及將干細(xì)胞包裝成小的細(xì)胞聚集體或稱為胚狀體的球體。類似于真實(shí)的胚胎，類胚體中的細(xì)胞間相互作用是分化的主要驅(qū)動力。從這些胚狀體的產(chǎn)生，發(fā)現(xiàn)諸如胚狀體的細(xì)胞數(shù)量，大小和球形度的參數(shù)影響所產(chǎn)生的細(xì)胞的類型。

【4】Sci Adv：3D打印技術(shù)有助于大腦膠質(zhì)瘤的研究

膠質(zhì)母細(xì)胞瘤，尤其是快速生長的惡性腫瘤，其內(nèi)部組成十分復(fù)雜。即使采用激進(jìn)的治療手段(通常包括手術(shù)，放療和化療)，膠質(zhì)母細(xì)胞瘤也難以得到完全清除，因此患者平均生存期僅有11至15個(gè)月。

近日，在Science Advance雜志上發(fā)表的研究中，倫斯勒大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程教授Xavier Intes等人展示了一種3D打印與高分辨率看成像相結(jié)合的研究手段，能夠有效地模擬人體內(nèi)部膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的發(fā)生情況。Intes加收說：“已知膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的構(gòu)成非常復(fù)雜，而且不同患者引人而異，因此，我們有必要了解膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的生物學(xué)特性和復(fù)雜性。”

【5】Cell Rep：3D打印大腦結(jié)構(gòu)揭示神經(jīng)回路結(jié)構(gòu)

在最近一項(xiàng)研究中，作者通過開發(fā)自動化的3D腦成像數(shù)據(jù)分析技術(shù)提供了對復(fù)雜神經(jīng)回路的空間組織的更可靠和標(biāo)準(zhǔn)化的分析。KAIST研究人員開發(fā)了一種用于大腦成像數(shù)據(jù)分析的新算法，該算法能夠?qū)?fù)雜的神經(jīng)回路精確定量地映射到標(biāo)準(zhǔn)化的3D模型上。

腦成像數(shù)據(jù)分析在神經(jīng)科學(xué)研究中必不可少。但是，獲得的大腦成像數(shù)據(jù)的分析在很大程度上取決于手動處理，這不能保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，一致性和可靠性。常規(guī)的腦成像數(shù)據(jù)分析通常從發(fā)現(xiàn)二維的腦圖像開始，該圖像在視覺上與實(shí)驗(yàn)獲得的腦圖像相似。然后，將圖集圖像的感興趣區(qū)域(ROI)與獲得的圖像手動匹配，并計(jì)算ROI中標(biāo)記的神經(jīng)元的數(shù)量。

【6】Sci Rep：3D打印技術(shù)助理快速個(gè)性化治療

為什么同樣的治療對每個(gè)患者都不一樣?如何優(yōu)化藥物的性能而不會因劑量過大而引起副作用?為了回答這些問題，瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)(UNIGE)的研究人員設(shè)計(jì)了一種細(xì)胞共培養(yǎng)平臺，以3D形式復(fù)制患者的腫瘤結(jié)構(gòu)?？茖W(xué)家們可以用它在腫瘤發(fā)展的不同階段測試多種藥物或藥物組合的有效性。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在最近的Scientific Reports雜志上。

結(jié)腸直腸癌是目前診斷出的第三種最常見的癌癥形式，也是世界上第四大致命癌癥類型。有一系列治療方法，包括化療，但高劑量的化療會引起許多副作用，而且患者通常會產(chǎn)生耐藥性。為了進(jìn)一步模仿腫瘤的發(fā)展過程以及精確衡量藥物的有效性，科學(xué)家們已經(jīng)建立了腫瘤3D培養(yǎng)模型。

【7】JCCT：3D打印有助于預(yù)測心臟瓣膜的泄漏

在美國，超過八分之一的75歲及以上的人在心臟中發(fā)生中度至重度的主動脈阻塞，通常是由于瓣膜小葉上積聚的鈣化沉積物造成的，并阻止它們完全打開和關(guān)閉。許多這些老年患者的健康狀況不足以進(jìn)行心臟直視手術(shù);相反，他們使用稱為經(jīng)導(dǎo)管主動脈瓣置換術(shù)(TAVR)的手術(shù)將人工瓣膜植入其心臟，該手術(shù)通過插入主動脈的導(dǎo)管展開瓣膜。然而，這個(gè)過程存在挑戰(zhàn)，包括需要選擇完美尺寸的心臟瓣膜，而不是真正看病人的心臟：太小，瓣膜可能會在邊緣移動或泄漏;太大了，閥門可以撕裂心臟，帶來死亡的危險(xiǎn)。因此，心臟病專家一直試圖尋找一種“恰到好處”的TAVR瓣膜尺寸。

哈佛大學(xué)Wyss生物啟發(fā)工程研究所的研究人員創(chuàng)造了一種新穎的3D打印工作流程，允許心臟病專家在實(shí)際執(zhí)行醫(yī)療程序之前評估不同瓣膜尺寸與每位患者獨(dú)特解剖結(jié)構(gòu)的相互作用。該協(xié)議使用CT掃描數(shù)據(jù)生成個(gè)體患者主動脈瓣的物理模型，此外還有“sizer”裝置以確定完美的替換瓣膜尺寸。這項(xiàng)工作是與布萊根婦女醫(yī)院，華盛頓大學(xué)，馬薩諸塞州綜合醫(yī)院和馬克斯普朗克膠體與界面研究所的研究人員和醫(yī)生合作完成的，并發(fā)表在Journal of Cardiovascular Computed Tomography雜志上。

【8】Cell System：3D打印技術(shù)改變篩選抗生素的方法

最近，來自麥克馬斯特大學(xué)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的一個(gè)“小型黑盒子”可以改變科學(xué)家尋找新抗生素的方式。印刷熒光成像盒(簡稱PFIbox)能夠收集大量數(shù)據(jù)，這將有助于Michael G. DeGroote傳染病研究所的研究人員尋求發(fā)現(xiàn)新的抗生素。該盒子允許科學(xué)家一次分析超過6，000個(gè)細(xì)菌樣本。

從原理上來講，該工具使用LED燈激發(fā)細(xì)菌中的熒光蛋白。然后，它將數(shù)據(jù)無線發(fā)送給研究人員，研究細(xì)胞隨時(shí)間對抗生素的反應(yīng)。PFIbox的九個(gè)結(jié)構(gòu)部件可以在大約一天內(nèi)進(jìn)行3D打印，在幾分鐘內(nèi)拼接在一起，成本約為200美元。

【9】Arch Toxicol：干細(xì)胞+3D打印 可用于肝臟移植

來自愛丁堡大學(xué)醫(yī)學(xué)研究委員會(MRC)再生醫(yī)學(xué)中心的科學(xué)家結(jié)合干細(xì)胞技術(shù)與3D打印技術(shù)，成功培育出了人源3D肝臟組織，并且在小鼠水平顯示出治療的潛力?？茖W(xué)家表示，除了為開發(fā)人體肝臟組織植入物方面進(jìn)行早期的探索，這一研究還可以通過搭建平臺來研究人類肝臟疾病以及實(shí)驗(yàn)室中的測試藥物的藥效，從而減少對動物研究的需求。

在這項(xiàng)發(fā)表在Archives of Toxicology雜志上的研究中，科學(xué)家們采集了人類胚胎干細(xì)胞并誘導(dǎo)形成多能干細(xì)胞(已被誘導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)楦杉?xì)胞的成體細(xì)胞)，通過定向誘導(dǎo)形成為肝細(xì)胞。負(fù)責(zé)這項(xiàng)研究的愛丁堡大學(xué)MRC再生醫(yī)學(xué)中心的David Hay教授說：“這是有史以來第一次有人在實(shí)驗(yàn)室中將干細(xì)胞來源的肝組織體外培育一年多的時(shí)間。細(xì)胞長時(shí)間存活和穩(wěn)定是非常困難的，但對于在人體中使用則至關(guān)重要。“

【10】Adv Materials：3D打印生物工程化血管研究新突破

最近來自BWH的研究者們開發(fā)出了一種新型的維管結(jié)構(gòu)制備方法，能夠得到更符合生理要求的血管。這種3D打印技術(shù)能夠精細(xì)模仿組織的生理特性，例如細(xì)胞的成熟以及能否運(yùn)輸營養(yǎng)物質(zhì)等。這一技術(shù)將能夠被用于進(jìn)行受損組織的置換。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在最近一期的Advanced Materials雜志上。

許多疾病都會造成管道組織的損傷，例如動脈炎、動脈粥樣硬化以及血栓等。此外，泌尿組織也會因?yàn)檠装Y反應(yīng)產(chǎn)生損傷。為了制備3D組織材料，研究者們將人體細(xì)胞與水溶膠進(jìn)行混合，水溶膠的化學(xué)性質(zhì)經(jīng)過了反復(fù)的摸索，使其能夠允許細(xì)胞的增殖。之后，研究者們將這些混合好的材料注入管道組織3D打印系統(tǒng)，并且通過程序設(shè)置使其能夠連續(xù)打印三層。當(dāng)管道打印完畢之后，研究者們經(jīng)過其它方法驗(yàn)證了其能夠允許營養(yǎng)物質(zhì)穿透的特性。

不可否認(rèn)，3D打印將會在未來醫(yī)療中占據(jù)著不可磨滅的作用，醫(yī)療人員將會利用它給人們帶來更多的福祉。