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3D生物打印技術(shù)推動醫(yī)療“革命”

發(fā)布時間:2012/12/26 11:42:41

3D打印技術(shù)最近很火!《經(jīng)濟學(xué)人》把它的影響與當年工廠的出現(xiàn)相提并論。

3D打印出人體器官?這或許在20年前根本不能想象,如今卻有可能通過3D生物打印機來實現(xiàn)。“當然我們所用材料不是墨水,而是‘生物墨水’,即細胞。”邁克·瑞納德(Michael Renard)對本報記者表示,如何創(chuàng)造這些“生物墨水”正是技術(shù)的關(guān)鍵。

邁克·瑞納德是美國Organovo公司執(zhí)行副總裁兼商業(yè)運營官。這是一家來自美國圣地亞哥專注3D打印制造生物組織并用于藥物研究和外科運用的公司,該公司通過和美國專門學(xué)術(shù)機構(gòu)以及其他商業(yè)公司合作,研發(fā)技術(shù)。一個最開始靠天使投資設(shè)立于2007年的小公司,成為全球第一家擁有3D生物打印技術(shù)的公司。

2010年,其高調(diào)推出了第一款商業(yè)化的3D生物打印機并用于制造組織,但是其并沒有公開銷售,而選擇進行低調(diào)在幾個固定學(xué)術(shù)機構(gòu)進行科研使用。

“現(xiàn)在我還不能向你透露具體運營臺數(shù)和造價,但是這些生物3D打印機目前用于我們自身的研究室、還有一些選擇性的學(xué)術(shù)機構(gòu),用于研究組織工程學(xué)。”瑞納德表示。

但根據(jù)美國《華爾街日報》對此的報道顯示,該公司目前已經(jīng)有10余臺3D生物打印機,每臺造價在數(shù)十萬美元。

目前,通過此技術(shù)利用細胞可以打印出具有功能性的人體組織,但是尚還不能完成復(fù)雜的器官打印。

然而瑞納德表示,最終的目標是能夠打印出可移植的人體器官,“當然我們近期的目標還是將著力于醫(yī)療研究和藥物尋找上。

除此之外,面對一些研究實際難題,瑞納德表示,“我們現(xiàn)在關(guān)注于制造出更大的人體組織,與微型血管系統(tǒng)結(jié)合。”

“生物墨水”的秘密

一般而言,銀、塑料或是鈦等材料利用3D打印機可以生產(chǎn)出一個個實際的物體,或是玩具,抑或是珠寶等。

而對于3D生物打印機而言,這一切都不是那么簡單,因為其所需要的是“生物墨水”。

“我們所用材料來源為細胞。”瑞納德表示。

本報記者從Organovo以及其合作研究機構(gòu)處了解到,目前這些細胞主要有四種來源:成人干細胞(adult stem cells)、誘導(dǎo)多能干細胞(induced pluripotent stem cells,簡稱 IPS細胞)、原始細胞(primary cells)以及祖細胞(progenitor cells)。

與之相對,其他相似機構(gòu)則是使用人造生物材料或是異基因的材料用以設(shè)計和最終組織的構(gòu)成。

“但是,相比而言,我們生產(chǎn)的組織是有功能性的、100%的人體組織、無支架以及脫細胞的組件。”瑞納德表示。

有了這些細胞材料后,通過在3D生物打印機的作用下,理論上各式各樣的組織就能形成了。

根據(jù)美國實驗室最新研究報告顯示,該類打印機能夠生產(chǎn)出組織結(jié)構(gòu),通過一層一層的架構(gòu)最終形成3D造型體,如適用于血管的管子和適用于關(guān)節(jié)的波狀軟骨。

據(jù)了解,Organovo問世的3D生物打印機擁有以激光為導(dǎo)向的印刷噴嘴,而這個噴嘴可以噴出由不同細胞混合的“墨水”。而每一滴“墨水”就是含有10000至30000萬個細胞的一滴溶液,最終形成人體組織。

“這些細胞在開始必須精心的準備,使其能夠在生物打印機上得到精確的布置和處置。”瑞納德表示。

目前該款號稱全球第一款商業(yè)化的3D生物打印機并沒有直接推向市場,但瑞納德表示,他們選擇將其運用于自身的科研以及提供給合作伙伴。

“因為,盡管目前用其可以設(shè)計制造出很多人體組織,但另一方面可以通過這個過程去獲得更多有價值的專門技術(shù)。”

據(jù)本報記者了解,目前Organovo最重要的合作伙伴為美國輝瑞制藥公司(Pfizer Inc)、美國聯(lián)合治療集團(United Therapeutics Corp)、哈佛醫(yī)學(xué)院以及哥倫比亞大學(xué)等。

面臨三大難題

3D生物打印還處于實驗室階段,而且面臨著形成組織的強度不夠、培育組織的存活問題以及缺乏電腦化的工具,解決個性化器官設(shè)計的難題。

根據(jù)公開的資料顯示,目前3D生物打印機能夠非常成功的生產(chǎn)出簡單的組織結(jié)構(gòu),大約由20層細胞構(gòu)成。如以厚度為標準衡量,其僅為幾百微米,相當于人類少許的頭發(fā)。

然而,目前使用3D生物打印機生產(chǎn)出來的一些更大組織,其自身力度很差,甚至連自身的磨損都不能承受。

此外,怎樣使這些被生產(chǎn)出的組織得到存活是科學(xué)界關(guān)注的話題。

“一個重要的挑戰(zhàn)是弄清楚怎樣養(yǎng)活這些組織。”賓夕法利亞大學(xué)組織精密加工實驗室主任克里斯多夫(Christopher Chen)曾經(jīng)接受媒體采訪時表示。

對此,瑞納德則表示他們注意到了這些挑戰(zhàn),并對本報記者表示,“能夠?qū)⑦x好的細胞和既定的設(shè)計結(jié)合起來完成細胞融合、組織形成和所需形態(tài)的過程,最終生產(chǎn)出有效的人類組織。而這一點是整個技術(shù)的重中之重。”

另外,對于相關(guān)電腦軟件問題,Organovo已與全球頂尖的軟件服務(wù)公司Autodesk合作,并于上周宣布兩家公司將合作開發(fā)第一款用于人體器官建模的軟件。

對于此次合作細節(jié),瑞納德并未向本報記者過多透露。但是他卻表示雙方合作的第一階段將是組建一個雙邊的項目小組,相關(guān)進展消息將會在2013年陸續(xù)公布。

11億美元市場誕生

除此之外,瑞納德還向本報記者詳細介紹了接下來發(fā)展方向。

“我們現(xiàn)在正在做的一件事情是設(shè)計和建立人體組織,并在2014年作為商業(yè)發(fā)布。這些組織將會被用于試管實驗加以推動醫(yī)療研究和藥品發(fā)現(xiàn)領(lǐng)域的發(fā)展。”

由此可見,該技術(shù)目前處實驗室醫(yī)療研究和藥品發(fā)現(xiàn)階段,而并非臨床器官移植。

但是這一切并不意味著現(xiàn)在3D生物打印機不具有商業(yè)價值。恰恰相反,一個巨大的商業(yè)市場正在孕育。

根據(jù)BBC市場研究報告顯示,Organovo已經(jīng)重點關(guān)注的3D生物打印機運用于藥物發(fā)現(xiàn)研究以及毒性測試行業(yè),全球市場價值達到了11億美元。

由于被嚴格控制的臨床實驗以及相關(guān)監(jiān)管體系,目前很難得到相關(guān)實驗批準,即在病人治療上使用這些組織。而且目前也很難預(yù)測何時能將生物打印組織療法用于臨床。

不過,瑞納德還是樂觀預(yù)測,“未來十年有可能看到第一次簡單的補充性療法,而更加復(fù)雜的移植療法將未來二十年間出現(xiàn)。”

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