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加州大學用天然材料3D生物打印離體組織篩選藥物

12月4日,從外媒獲悉,加州大學圣地亞哥分校的生物工程師開發(fā)了一種易于使用的3D生物打印技術,用天然材料制作逼真的器官組織模型。作為概念驗證,加州大學圣地亞哥分校的3D打印血管網(wǎng)絡能夠?qū)⑷橄侔┠[瘤保持在體外,并且是血管化人體腸道的模型。

(L-R):生物工程研究生Michael Hu和本科生Xin Yi(Linda)Lei使用他們團隊的新3D生物打印技術構建血管化腸道模型

研究人員表示,本項研究的目標不是制造可以植入體內(nèi)的人造器官,而是制造易于生長的人體器官模型,可以在體外研究或用于藥物篩選。

本研究的第一作者,生物工程博士生Michael Hu說:“我們希望讓日?茖W家更容易 - 他們可能沒有其他3D打印技術所需的專業(yè)化 - 制作他們正在研究的任何人體組織的3D模型,模型將比標準的2D或3D細胞培養(yǎng)更先進,并且在測試新藥時與人類更相關,目前在動物模型上進行。”

為了建立一個活的血管網(wǎng)絡,研究人員首先使用Autodesk數(shù)字化設計一個支架。研究人員使用商用3D打印機,用稱為聚乙烯醇的水溶性材料打印支架。然后,他們將由天然材料制成的厚厚涂層倒在支架上,讓它固化并固化,然后將支架材料沖洗到內(nèi)部以形成中空血管通道。接下來,他們用內(nèi)皮細胞覆蓋通道內(nèi)部,內(nèi)皮細胞是排列在血管內(nèi)部的細胞。最后一步是使細胞培養(yǎng)基流過血管以保持細胞存活和生長。

血管由體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的天然物質(zhì)制成,如纖維蛋白原(一種在血凝塊中發(fā)現(xiàn)的化合物)和Matrigel,一種可商購的實際哺乳動物細胞外基質(zhì)形式。

然而,發(fā)現(xiàn)合適的材料是最大的挑戰(zhàn)之一,該研究的共同作者,生物工程本科生Xin Yi (Linda) Lei表示。 “我們想要使用天然材料而不是合成材料,因此我們可以盡可能地制作與身體內(nèi)部物品盡可能接近的材料。他們還需要能夠使用我們的3D打印方法!

Ami Dailamy是馬里實驗室的生物工程研究生,他設計了一個3D打印支架

在一組實驗中,研究人員使用打印的血管來保持乳腺癌腫瘤組織在體外存活!拔覀兊南M,我們可以運用我們的系統(tǒng)制作可用于測試體外抗癌藥物的腫瘤模型,”Michael Hu說。他們從小鼠中提取腫瘤碎片,然后將一些碎片嵌入打印的血管網(wǎng)絡中。其他部分保存在標準3D細胞培養(yǎng)物中。三周后,封裝在血管印跡中的腫瘤組織保持活著。與此同時,那些處于標準3D細胞培養(yǎng)中的人大部分已經(jīng)死亡。

在另一組實驗中,研究人員創(chuàng)建了血管化腸道模型。該結構由兩個通道組成。一個是直腸管,內(nèi)襯腸上皮細胞以模仿腸道。另一個是血管通道(內(nèi)襯細胞),在腸道周圍盤旋。目的是重建一個被血管網(wǎng)絡包圍的腸道。然后給每個通道提供針對其細胞優(yōu)化的培養(yǎng)基。在兩周內(nèi),開始呈現(xiàn)更逼真的形態(tài)。例如,腸道已經(jīng)開始發(fā)芽絨毛,絨毛是腸壁內(nèi)側的微小指狀突起。

“通過這種策略,我們可以開始在離體環(huán)境中制造復雜,長壽的系統(tǒng)。未來,這可能取代動物用于制造這些系統(tǒng),這就是現(xiàn)在所做的,”Mali說。

“這是一個概念證明,表明我們可以將不同類型的細胞組織在一起,如果我們想要在體內(nèi)模擬多器官相互作用,這很重要。在一個打印品中,我們可以創(chuàng)建兩個不同的局部環(huán)境,每個環(huán)境保持不同活著的細胞類型,并放在一起足夠接近,以便它們可以相互作用,”Hu說。

該工作最近發(fā)表在Advanced Healthcare Materials上。未來的工作將集中在優(yōu)化打印血管和開發(fā)更接近模仿體內(nèi)血管化腫瘤模型。

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