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从假想变成现实，3D生物打印正逐渐影响医学研究
2022-12-09 来源：贤集网 点击量：288
利用3D打印技术，可以制作动漫模型、珠宝首饰、建筑材料……还有耳朵。
据美国《纽约时报》报道，近日，美国3D生物医药公司宣布，他们利用从患者耳中提取的软骨细胞样本，通过3D打印技术制造出一只耳朵，并在3月成功进行了移植手术。
“这是一件值得高兴的大事。”美国卡内基梅隆大学生物医学工程教授亚当?费恩伯格得知这一消息后十分激动：“这表明生物3D打印技术已经从假想变成现实了。”
接受手术的是来自墨西哥的20岁女性亚历克莎。她患有先天性的小耳畸形，听力也受到影响。《纽约时报》称，在美国，每年大约有1500名新生儿患有小耳症或无耳症，即整个外耳缺失。他们会因此被同龄人嘲笑，逐渐变得自卑和抑郁。较为理想的治疗时间是患者开始上学前，治疗方式通常是：医生从患者肋骨上提取软骨，将其雕刻成耳朵的大致形状，然后进行移植。整个手术过程复杂，费用较高。现在，3D打印技术带来了新的希望。
3D打印是增材制造的一种形式，通过对材料进行选择性的增量分层以形成3D结构来生产产品。目前有三种主要能够应用于医学领域的3D打印方式：3D打印制药（printingofpharmaceuticals）、3D打印结构性医疗器械（printingofstructuralmedicaldevices）和3D生物打印（3Dbioprinting）。其中，3D生物打印是一种以活细胞和生物相容性材料（生物材料）在三维结构上打印类似活体组织结构的新科技手段。
1.3D打印结构性医疗器械
3D打印在医学上通常与结构性医疗器械的生产相关，目前，3D打印技术被用于生产定制外科手术植入物（取代膝盖和髋关节）、外部支持（矫形器）等。用于制造结构性医疗器械的3D打印设备可以打印聚合物或金属。目前，3D打印人工关节的*新成果涉及将微观海绵状设计整合到产品表面，以促进骨细胞植入时生长到结构上及添加抗菌化合物（银）。
2.3D生物打印
3D生物打印使细胞和ECM的组装能够形成3D构建体，该构建体重现了癌症组织的复杂性，并可作为发现新的治疗靶点、抗癌药物的临床前测试和个性化癌症治疗开发的稳健和可重复的平台。
药效评估
3D打印生物癌症模型已应用于多种药物的筛选和发现。ECM特性（如密度和组成）影响药物扩散和肿瘤渗透，一些3D生物打印肿瘤模型考虑了这些因素。在一种迭代的3D生物打印方法中，使用了悬浮在明胶-海藻酸盐-基质生物材料中的GP-118患者来源的胃腺癌细胞，这种3D生物打印的胃腺癌模型对多西紫杉醇、5-氟尿嘧啶和顺铂具有化疗抗性，可用于评估开发药物的耐药性。
3D生物打印模型也已被用于评估单克隆抗体的治疗效果。例如metuzumab（一种抗CD174抗体，用于治疗多种癌症），研究人员使用热敏生物材料对由SMMC-7721肝癌细胞和HUVEC组成的微流体进行3D生物打印。与2D培养相比，3D模型中需要更高剂量的metuzumab来抑制癌细胞迁移和增殖。另外，将人外周血单个核细胞纳入3D生物打印模型使研究者能够评估metuzumab诱导的ADCC细胞毒性，这是治疗性抗体的一个重要方面。
药物筛选平台
除了评估肿瘤对药物的反应外，3D生物打印平台还可以帮助高通量筛选化合物和批准用于不同疾病或适应症的药物。全外显子组测序（WES）可以识别患者癌症样品的突变谱，并通过将这些突变谱与靶向突变的特定药物进行关联来预测药物敏感性。
靶标发现
将可灌注血管系统添加到多细胞3D生物打印模型中可能会进一步改善药物筛选平台。例如，正在开发的一个3D生物打印的微工程胶质母细胞瘤模型，该模型包含了内衬内皮细胞和周细胞的可灌注毛细血管，并连接到周血泵。这种3D模型可以反映出胶质母细胞瘤样品的异质性，与来自同一细胞的2D培养物相比，这种3D模型中的肿瘤细胞在转录上与体内胶质母细胞瘤肿瘤细胞更相似。值得注意的是，这个模型显示了P-选择素的上调，而在2D培养基中生长的胶质母细胞瘤细胞不表达P-选择素，也不受P-选择蛋白抑制剂的影响，这表明使用3D生物打印癌症模型可能会发现传统2D培养无法检测到的治疗靶点。
总之，3D生物打印癌症模型已被证明比传统2D培养方法更能反映肿瘤异质性、TME复杂性、癌细胞行为、基因表达特征和药物反应。这些模型还提供了研究癌症治疗方法参数的平台，这些参数无法使用传统2D培养方法或简单3D模型进行充分研究。
临床试验
各种正在进行的临床试验正在评估3D癌症模型在药物筛选、靶点发现和个性化治疗方面的预测能力。例如，一项正在进行的临床试验正在评估3D生物打印肝癌模型预测化疗对结直肠癌以及结直肠癌肝转移的反应（NCT04755907）。另一项试验使用了透明质酸-明胶生物材料的3D生物打印来制作骨髓瘤器官样模型（NCT03890614），旨在建立患者特异性生物印迹模型，以研究骨髓瘤生物学和化疗敏感性。这些临床研究为使用3D生物打印癌症模型准确模拟患者肿瘤及其动态微环境并预测治疗结果的可行性提供了概念证明。
3D生物打印癌症模型有可能改变我们研究、诊断、预防和治疗癌症的方式。这些模型的商业化，特别是在药物开发和测试方面，预计将产生巨大的经济效益。此外，先进的3D生物打印技术，结合基于机器学习和人工智能的组学方法，可能发现癌症生物学的基本机制，揭示新的生物标记物和药物靶点，并推动有效的个性化癌症治疗的发展。
文章来源：中国科协创新院，中国青年网，小药说药
据美国《纽约时报》报道，近日，美国3D生物医药公司宣布，他们利用从患者耳中提取的软骨细胞样本，通过3D打印技术制造出一只耳朵，并在3月成功进行了移植手术。
“这是一件值得高兴的大事。”美国卡内基梅隆大学生物医学工程教授亚当?费恩伯格得知这一消息后十分激动：“这表明生物3D打印技术已经从假想变成现实了。”
接受手术的是来自墨西哥的20岁女性亚历克莎。她患有先天性的小耳畸形，听力也受到影响。《纽约时报》称，在美国，每年大约有1500名新生儿患有小耳症或无耳症，即整个外耳缺失。他们会因此被同龄人嘲笑，逐渐变得自卑和抑郁。较为理想的治疗时间是患者开始上学前，治疗方式通常是：医生从患者肋骨上提取软骨，将其雕刻成耳朵的大致形状，然后进行移植。整个手术过程复杂，费用较高。现在，3D打印技术带来了新的希望。
据3D生物医药公司的高管介绍，这一新的耳部植入技术整合了多项专利技术，先是将患者细胞的一小部分样本转化为数十亿个细胞的方法。该公司的3D打印机使用基于胶原蛋白的“生物墨水”，该“墨水”在人体内是安全的，并且可以保持所有材料的无菌性。
3D打印是增材制造的一种形式，通过对材料进行选择性的增量分层以形成3D结构来生产产品。目前有三种主要能够应用于医学领域的3D打印方式：3D打印制药（printingofpharmaceuticals）、3D打印结构性医疗器械（printingofstructuralmedicaldevices）和3D生物打印（3Dbioprinting）。其中，3D生物打印是一种以活细胞和生物相容性材料（生物材料）在三维结构上打印类似活体组织结构的新科技手段。
1.3D打印结构性医疗器械
3D打印在医学上通常与结构性医疗器械的生产相关，目前，3D打印技术被用于生产定制外科手术植入物（取代膝盖和髋关节）、外部支持（矫形器）等。用于制造结构性医疗器械的3D打印设备可以打印聚合物或金属。目前，3D打印人工关节的*新成果涉及将微观海绵状设计整合到产品表面，以促进骨细胞植入时生长到结构上及添加抗菌化合物（银）。
2.3D生物打印
3D生物打印是一种打印生物材料和细胞形成组织状产品的技术。这项技术应用过程中用到的细胞和生物材料被称为“生物墨水”，可以打印出能够模仿体内复杂生物结构的组织。3D生物打印技术目前的研究重点是制造患病组织模型，这些模型可以替代实验动物测试新药。这项技术还被用来进行新的医学疗法研究。这种利用生物打印制造像组织一样的材料的技术被称为“生物制造”。
3D生物打印使细胞和ECM的组装能够形成3D构建体，该构建体重现了癌症组织的复杂性，并可作为发现新的治疗靶点、抗癌药物的临床前测试和个性化癌症治疗开发的稳健和可重复的平台。
药效评估
3D打印生物癌症模型已应用于多种药物的筛选和发现。ECM特性（如密度和组成）影响药物扩散和肿瘤渗透，一些3D生物打印肿瘤模型考虑了这些因素。在一种迭代的3D生物打印方法中，使用了悬浮在明胶-海藻酸盐-基质生物材料中的GP-118患者来源的胃腺癌细胞，这种3D生物打印的胃腺癌模型对多西紫杉醇、5-氟尿嘧啶和顺铂具有化疗抗性，可用于评估开发药物的耐药性。
3D生物打印模型也已被用于评估单克隆抗体的治疗效果。例如metuzumab（一种抗CD174抗体，用于治疗多种癌症），研究人员使用热敏生物材料对由SMMC-7721肝癌细胞和HUVEC组成的微流体进行3D生物打印。与2D培养相比，3D模型中需要更高剂量的metuzumab来抑制癌细胞迁移和增殖。另外，将人外周血单个核细胞纳入3D生物打印模型使研究者能够评估metuzumab诱导的ADCC细胞毒性，这是治疗性抗体的一个重要方面。
药物筛选平台
除了评估肿瘤对药物的反应外，3D生物打印平台还可以帮助高通量筛选化合物和批准用于不同疾病或适应症的药物。全外显子组测序（WES）可以识别患者癌症样品的突变谱，并通过将这些突变谱与靶向突变的特定药物进行关联来预测药物敏感性。
靶标发现
将可灌注血管系统添加到多细胞3D生物打印模型中可能会进一步改善药物筛选平台。例如，正在开发的一个3D生物打印的微工程胶质母细胞瘤模型，该模型包含了内衬内皮细胞和周细胞的可灌注毛细血管，并连接到周血泵。这种3D模型可以反映出胶质母细胞瘤样品的异质性，与来自同一细胞的2D培养物相比，这种3D模型中的肿瘤细胞在转录上与体内胶质母细胞瘤肿瘤细胞更相似。值得注意的是，这个模型显示了P-选择素的上调，而在2D培养基中生长的胶质母细胞瘤细胞不表达P-选择素，也不受P-选择蛋白抑制剂的影响，这表明使用3D生物打印癌症模型可能会发现传统2D培养无法检测到的治疗靶点。
总之，3D生物打印癌症模型已被证明比传统2D培养方法更能反映肿瘤异质性、TME复杂性、癌细胞行为、基因表达特征和药物反应。这些模型还提供了研究癌症治疗方法参数的平台，这些参数无法使用传统2D培养方法或简单3D模型进行充分研究。
临床试验
各种正在进行的临床试验正在评估3D癌症模型在药物筛选、靶点发现和个性化治疗方面的预测能力。例如，一项正在进行的临床试验正在评估3D生物打印肝癌模型预测化疗对结直肠癌以及结直肠癌肝转移的反应（NCT04755907）。另一项试验使用了透明质酸-明胶生物材料的3D生物打印来制作骨髓瘤器官样模型（NCT03890614），旨在建立患者特异性生物印迹模型，以研究骨髓瘤生物学和化疗敏感性。这些临床研究为使用3D生物打印癌症模型准确模拟患者肿瘤及其动态微环境并预测治疗结果的可行性提供了概念证明。
3D生物打印癌症模型有可能改变我们研究、诊断、预防和治疗癌症的方式。这些模型的商业化，特别是在药物开发和测试方面，预计将产生巨大的经济效益。此外，先进的3D生物打印技术，结合基于机器学习和人工智能的组学方法，可能发现癌症生物学的基本机制，揭示新的生物标记物和药物靶点，并推动有效的个性化癌症治疗的发展。
文章来源：中国科协创新院，中国青年网，小药说药
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