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3D打印技术:多器官微流控芯片

魔猴君  行业资讯  64天前

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新药研发过程中的药物毒、副作用测试是生物3D打印器官或组织最早体现出商业价值的领域。近年来,美国北卡罗来纳州维克森林再生医学研究所(WFIRM)等科研机构的科学家们,将类似的生物3D打印技术与微流控芯片相结合,研发在药物测试领域具有应用价值的多器官微流控芯片。


近日,WFIRM等科研机构的科学家们在Scientific Reports期刊发表了题为Multi-tissue interactions in an integrated three-tissue organ-on-a-chip platform的研究论文。论文中指出,有些药物经长期的临床前试验和临床试验后,仍会由之前未预测到的毒副作用而被食品药品监督机构召回。出现这些情况的一个原因是药物在研发时缺乏能够准确概括人类器官的正常组织功能和对药物化合物反应的模型系统。



在人体中,每个器官或组织都不是独立存在的,它们均处于人体内一种高度集成、动态交互的环境当中,其中一个组织的动作可能影响到与之相关的其他组织。在此背景下,WFIRM等科研机构的科学家们设计了一种具有肝脏、心脏和肺组织结构的多器官芯片系统。通过这一多器官微流控芯片系统,研究团队可以观察到依赖于组织间相互作用的药物反应,并描述多组织芯片系统在目标药物毒、副作用体外测试中的价值。



研究团队的目标是研发出一个具有灌注驱动的、功能强大的多器官芯片系统。该芯片系统的设计方式,是将单个组织构建体容纳在由常规聚二甲基硅氧烷(PDMS)软光刻和模塑形成的模块化微反应器中。该系统可连续串联连接,且支持在将来的研究中将更多的器官组织整合到芯片系统中。


由于芯片中心脏、肝脏和肺组织具有不用的制造要求,研究团队使用生物3D打印机和不同成分的“生物墨水”分别制造三种组织。例如,芯片中的肝脏类器官的生物墨水是由原代人体肝脏细胞、星状细胞和库普弗细胞等材料构成的,而心脏组织的生物墨水是由诱导多功能干细胞等材料构成的。打印完成后,研究团队使用ECM衍生的生物墨水或朊蛋白和明胶生物蛋白将这些组织转移到芯片的微反应器中。肺组织是在具有类似因子的微反应器中制造的,其中具有固定的半多孔膜、肺成纤维细胞、上皮细胞和内皮细胞。在完成三种组织的生物3D打印之后,研究团队将装置密封并连接到循环灌注系统。芯片中的流体由微蠕动泵进行驱动。



论文的作者之一Aleks Skardal表示,这一多器官芯片在用于药物测试时所体现出来的显著的价值是,除了体现出药物对于目标治疗器官的副作用之外,还能够体现出药物对于其他器官的副作用。例如,当这个多器官芯片被用于测试癌症治疗药物时,研究团队可以同时测试出药物对于肺和心脏的副作用。


同时指出,多器官芯片系统的主要应用领域是药物测试,如果这类具有多器官的微流控芯片系统应用于新药的药物测试领域,有望在药物开发过程的早期识别药物的毒、副作用,提高新药研发的成功率、节省研发费用。此外,该系统在个性化医疗领域有一定的应用价值,例如帮助医生预测个体患者对于治疗方式的反应。


人体器官芯片(organs-on-a-chip)是近几年发展起来的一种新兴前沿交叉学科技术,它以前所未有的方式见证机体的多种生物学行为,在新药发现、疾病机制和毒性预测等领域具有重要应用前景。在这个领域中的微流控芯片技术(Microfluidics)则是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上,自动完成分析全过程。由于它在生物、化学、医学等领域的巨大潜力,已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。


据市场研究,3D打印技术与微流控芯片的结合点,除了WFIRM研究团队在制造多器官芯片中三种不同组织时所使用的生物3D打印技术,还有另外一类具有潜力的应用,即:通过3D打印设备直接制造微流控芯片。



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