美科學(xué)家“造”出人類(lèi)血管網(wǎng)絡(luò ) 3D打印可植入器官迎突破

2019年5月3日凌晨，最新一期Science雜志以封面形式刊登了美國多所高?？茖W(xué)家團隊完成的一項重磅成果，該團隊創(chuàng )建了一種新的開(kāi)源生物打印技術(shù)，可以在幾分鐘內生產(chǎn)出具有復雜內部結構的柔軟、水基、生物相容性凝膠。通過(guò)這項突破性的生物組織打印技術(shù)，研究人員可以創(chuàng )造出模仿人體血液、空氣、淋巴液和其他重要液體復雜天然脈管系統的水凝膠器官替代物。



圖 | 最新一期Science封面(來(lái)源：Science)



在研究人員展示的模擬肺泡囊水凝膠模型中，精美絕倫的血管網(wǎng)絡(luò )不僅震撼視覺(jué)，而且證明了其中氣道可以將氧氣輸送到周?chē)难?，攻克?3D 打印含有復雜脈管系統功能性器官替代物的主要障礙。此外，研究人員還成功將含有肝細胞的生物打印構建物植入小鼠體內。



圖 | 模擬肺泡囊的模型，氣道和血管并未直接接觸，但仍能夠為紅細胞提供氧氣(來(lái)源：Rice University)


與 3D 打印各種奇形怪狀的物品不同，3D 打印活體器官(哪怕厚度超過(guò)幾毫米的組織)如果沒(méi)有脈管系統作為提供營(yíng)養和排除廢物的通道，就會(huì )造成組織結構內部的活細胞很快死亡。因此，對于生物工程師來(lái)說(shuō)，探索 3D 打印包含大量活細胞原型組織的方法，面臨著(zhù)巨大的挑戰。


3D 打印包含復雜脈管系統的活體組織

“創(chuàng )建功能性組織替代物的最大障礙之一，就是我們無(wú)法打印能夠為人類(lèi)稠密組織提供營(yíng)養的復雜脈管系統。”本次研究的主要領(lǐng)導者、萊斯大學(xué)(Rice University)布朗工程學(xué)院生物工程助理教授 Jordan Miller 說(shuō)。
我們的器官實(shí)際上包含著(zhù)獨立的脈管網(wǎng)絡(luò )，如肺部的氣管和血管，或肝臟中的膽管和血管，這些復雜的脈管網(wǎng)絡(luò )在物理和生化層面糾纏在一起，結構本身與組織功能密切相關(guān)。而這項研究所做的，是第一個(gè)直接和全面解決復雜脈管系統挑戰的生物打印技術(shù)。
“肝臟特別有趣，因為它具有令人難以置信的 500 多種功能，可能僅次于大腦。”華盛頓大學(xué)(University of Washington)生物工程和病理學(xué)系助理教授 KellyStevens 說(shuō)，”肝臟的復雜性意味著(zhù)目前沒(méi)有任何機器或療法可以在肝臟生病時(shí)取代其所有功能。而生物打印的人體器官有朝一日可能會(huì )提供這種療法。”
為了應對這一挑戰，研究團隊創(chuàng )建了一種新的開(kāi)源生物打印技術(shù)，稱(chēng)為”組織工程立體光刻儀(SLATE)”。該系統使用激光增材制造技術(shù)，一次打印一層軟水凝膠。
每一層由液體預水凝膠溶液打印，當暴露于藍光時(shí)變成固體。數字光處理投影儀從下方發(fā)出光線(xiàn)，以像素大小從 10-50 微米不等的高分辨率顯示結構的連續二維切片。隨著(zhù)每一層依次凝固，頂臂將不斷增長(cháng)的 3D 凝膠舉起，剛好讓液體暴露在投影儀的下一幅圖像中。
這其中的關(guān)鍵是添加能夠吸收藍光的廣泛用于食品工業(yè)的生物相容性光吸收劑，這些光吸收劑將凝固限制在非常精細的一層中。通過(guò)這種方式，該系統可以在幾分鐘內生產(chǎn)出具有復雜內部結構的柔軟、水性、生物相容性凝膠。
對肺部模擬結構的測試顯示，這些組織足夠堅固，可以避免在血液流動(dòng)和脈動(dòng)”呼吸”過(guò)程中破裂。脈動(dòng)”呼吸”是一種有節奏的吸氣和呼氣，模擬了人類(lèi)呼吸的壓力和頻率。測試發(fā)現，當紅細胞流經(jīng)”呼吸”氣囊周?chē)难芫W(wǎng)絡(luò )時(shí)，它們可以吸收氧氣。這種氧氣的運動(dòng)類(lèi)似于肺泡囊中的氣體交換。



圖 | 糾纏的血管網(wǎng)絡(luò )(來(lái)源：Science) 為了驗證打印組織的生物兼容性，研究團隊將裝載了肝細胞的 3D 打印組織植入患有慢性肝損傷的小鼠體內，組織具有用于血管和肝細胞的獨立隔室。實(shí)驗結果顯示，肝細胞能夠在植入后存活。



圖 | 功能性肝水凝膠載體在患有慢性肝損傷的小鼠體內進(jìn)行為期 14 天的植入(來(lái)源：Jordan Miller/Rice University)


Kelly Stevens 表示，復雜的脈管系統十分重要，因為結構和功能往往相輔相成。”組織工程學(xué)在這方面已經(jīng)掙扎了一代人的時(shí)間。通過(guò)這項工作，我們現在可以更進(jìn)一步，如果我們能夠打印看起來(lái)更像是我們體內結構復雜的健康組織，那么它們在功能上的表現會(huì )更像那些組織嗎?這是一個(gè)重要的問(wèn)題，因為生物打印組織功能的好壞，將影響它作為一種療法的成功程度。”



探索人體器官更復雜的結構

器官移植的巨大需求推動(dòng)了生物打印健康和功能性器官的發(fā)展。僅在美國，就有超過(guò) 10 萬(wàn)人在等待器官移植，而那些最終接受捐贈器官的人，為應對器官免疫排斥仍然要進(jìn)行終生免疫抑制藥物的治療。

在過(guò)去的十年中，生物打印技術(shù)引起了人們極大的興趣，因為理論上它可以允許醫生通過(guò)病人自身細胞打印替代器官，來(lái)解決器官短缺和器官免疫排斥這兩個(gè)問(wèn)題。有朝一日，如果 3D 打印功能性器官能夠實(shí)現，那將能夠治療全球數百萬(wàn)患者。

“我們預計生物打印將在未來(lái)二十年內成為醫學(xué)的重要組成部分。”Miller 說(shuō)。

2015 年，Miller 和賓夕法尼亞大學(xué)外科助理教授 Pavan Atluri 領(lǐng)導的研究團隊使用糖、硅膠和 3D 打印機，創(chuàng )建了一個(gè)包含錯綜復雜血管網(wǎng)絡(luò )的植入物，為創(chuàng )建可移植的替代組織和器官奠定了基礎。



圖 | 內部包含血管網(wǎng)絡(luò )的 3D 打印結構體，大小和小熊軟糖差不多(來(lái)源：Jeff Fitlow/RiceUniversity)



雖然當時(shí)的這些”作品”看起來(lái)并不像器官中的血管，但它們具有移植器官相關(guān)的一些關(guān)鍵特征。

2016 年，Miller 領(lǐng)導的萊斯大學(xué)生物工程研究團隊創(chuàng )造性地改良商用級 CO2 激光切割機，創(chuàng )建了 OpenSLS 平臺，這是一種開(kāi)源的選擇性激光燒結平臺，可以從粉末塑料和生物材料中打印復雜的 3D 物體。

OpenSLS 的工作原理與大多數傳統的基于擠壓的 3d 打印機不同。傳統的 3d 打印機在打印二維圖形時(shí)，是通過(guò)針擠壓融化的塑料來(lái)創(chuàng )建物體，然后從連續的二維層構建三維對象。相比之下，SLS 激光照射到塑料粉末的平板上，會(huì )在激光焦點(diǎn)處熔化或燒結粉末，形成小體積的固體材料。一層完成后，會(huì )鋪上一層新的粉末，循環(huán)往復。由于燒結的物體完全由三維粉末支撐，這種技術(shù)能夠產(chǎn)生其他 3D 打印技術(shù)根本無(wú)法生產(chǎn)的極其復雜的結構。




2017 年，Miller 和貝勒醫學(xué)院生物物理學(xué)家 Mary Dickinson 實(shí)驗室的一個(gè)團隊展示了如何使用人體內皮細胞和間充質(zhì)干細胞來(lái)啟動(dòng)脈管形成的過(guò)程。研究證實(shí)了這些由”誘導多能干細胞”分化成的內皮細胞具有形成毛細管樣結構的能力，無(wú)論是在稱(chēng)為纖維蛋白的天然材料中，還是在稱(chēng)為明膠甲基丙烯酸酯的半合成材料中。

2018 年，Miller 和萊斯大學(xué)生物工程師 Omid Veiseh 一起嘗試將細胞療法應用與先進(jìn)的 3D 打印技術(shù)相結合，用于 1 型糖尿病治療。他們開(kāi)發(fā)的容納胰島細胞和底層血管網(wǎng)絡(luò )的 3D 打印水凝膠，能夠保護植入的胰島細胞免受免疫系統影響的封裝材料，同時(shí)讓細胞生長(cháng)和應對環(huán)境變化。

而在最新的這項研究中，為了設計出復雜的肺臟結構，Miller還與馬薩諸塞州一家設計公司 Nervous System 的聯(lián)合創(chuàng )始人 Jessica Rosenkrantz 和 Jesse Louis-Rosenberg合作。

“當初我們創(chuàng )立 Nervous System 時(shí)，目標是將自然界中的算法應用于設計產(chǎn)品的新方法，”Rosenkrantz 說(shuō)。”沒(méi)想到現在我們有機會(huì )設計活組織。”




Miller 表示，新的生物打印系統也可以產(chǎn)生血管內特征，如只允許血液向一個(gè)方向流動(dòng)的二尖瓣。在人體中，血管內瓣膜存在于心臟、腿靜脈和淋巴系統中。”通過(guò)增加多種脈管和脈管內結構，我們?yōu)楣こ袒罱M織引入了一套廣泛的設計自由。”Miller 說(shuō)，”我們現在可以自由地建造身體中發(fā)現的許多錯綜復雜的結構。”

研究團隊正在通過(guò)一家名為 Volumetric 的休斯頓創(chuàng )業(yè)公司將研究的關(guān)鍵方面商業(yè)化。Miller 的實(shí)驗室也已經(jīng)在使用新的設計和生物打印技術(shù)來(lái)探索更復雜的結構。”我們對人體結構的探索才剛剛開(kāi)始，我們還有很多東西需要學(xué)習。”

而一貫支持開(kāi)源3D 打印技術(shù)的 Mille 也表示，發(fā)表在Science雜志上的所有實(shí)驗數據均可免費獲得。此外，用于構建立體光刻設備所需的所有 3D 打印文件，以及本次研究中打印的每個(gè)水凝膠的設計文件，均是可獲取的。

“開(kāi)放水凝膠的設計文件，將允許其他人繼續探索我們的努力內容，甚至他們會(huì )使用一些今天不存在的未來(lái) 3D 打印技術(shù)。”Miller 說(shuō)。