3 d生物打印设置为推动医学研究向前发展

3 d打印技术现在正被用于医学研究建立更多的个性化治疗方法和加速药物发现。这项技术是解锁三维细胞培养方法的潜力更好的复制人类的身体,更好地理解各种细胞类型,最终,培养耐心,瀑特异性治疗途径。本文以一看3 d生物打印——它是什么,它是如何做的,探讨了可能的应用程序和植物性bioinks的好处。

生物打印的概念已经存在多年,自Robert j . Klebe使用一个标准的办公室喷墨打印机cytoscribing存款细胞在1988年。¹15年后,w·克里斯·威尔逊和克莱姆森大学的托马斯·博兰推出了首个喷墨生物-一个标准喷墨设备的适应证明其有效性通过印刷荧光标记人体细胞培养基。²第二年,博兰的团队成功地创建了第一个3 d生物细胞加载到一个商业有限元打印机,³和兴趣的应用3 d生物打印不断增长。

3 d生物打印本质上是一种加法制造和利用3 d打印技术的其他行业。关键的区别是,而不是使用固体材料,3 d生物设计打印液体或凝胶- bioinks已经适应工作和生活的材料。生物可以喷墨,extrusion-based或者采用激光辅助系统,和每个打印机类型都有自己的利益在成本方面,细胞活力、细胞密度和解决。兼容bioinks也各不相同,所以重要的是要确保生物和bioink一起工作得很好。

bioinks是什么制成的?

印刷3 d组织非常不同于在2 d细胞,要求材料能保持细胞在不同的层。Bioinks是天然或合成生物材料,可以与活细胞和混合用作印刷基材的组织、器官或骨突结构。由生物组件,确保细胞仍然是可行的,结构组件,保持其流变特性,它们可以cell-laden, scaffold-free或颗粒。为每个应用程序选择最合适的bioink至关重要,作为油墨的成分和密度可以影响细胞的生存能力和密度。Bioinks也必须稳定和坚固的,允许将它们存入层没有瓦解。

不断扩大的市场

负担得起的3 d生物的发展使得技术日益广泛使用,并有一个巨大的数量的增加出版物引用使用3 d生物打印在过去的几年中,研究人员评估生物学,历来在2 d。打印的三维细胞培养提供更多的生物相关表征的身体在体外研究2 d调查相比,导致疾病的发展,肿瘤和器官模型,以及organ-on-a-chip应用程序。

研究人员也越来越多地寻求替代动物模型,自愿和应对紧缩政策法规。细胞行为和不同药物的影响,可以更准确地检查,同时减少动物试验的必要性。这已经是癌症研究等领域中,在肿瘤模型可以打印测试治疗反应。迁移化验也可以进行了解肿瘤细胞与其他细胞移动和交互,以及如何良性细胞成为恶性。

此外,3 d生物打印小说开辟了可能性病人——和瀑特异性治疗,使个性化医疗的现实。主细胞可以收集并用于创建特定的肿瘤模型,然后对不同化合物筛选看到哪一个给最好的反应,药物发现和允许快速启动量身定制的治疗。这是一个巨大的和令人兴奋的领域生物打印可以有立竿见影的效果。

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Bioinks使用植物性nanofibrillar纤维素水凝胶被证明是一个受欢迎的选择对于这些应用程序,模仿的在活的有机体内环境支持细胞生长和分化。可以使用这些bioinks有或没有交联剂,并稀释至所需的刚度对于一个特定的应用程序,使3 d生物打印精度高的细胞定位。与动物性nanofibrillar纤维素水凝胶凝胶在室温下稳定,并且不受到批次变化,提高一致性和易用性。

从在体外来在活的有机体内

最近,科学家们一直在探索的翻译技术临床设置,打印组织或器官。通常,使用专门的软件将医学图像,如MRI或CT扫描,三维计算机模型,作为生物的指示,允许生成模型的身体感兴趣的一部分,可以从理论上讲,被移植到一个病人。这需要仔细选择最合适,host-compatible生物材料和印刷参数,让敏感的活细胞打印分层技术,然后培养生成三维模型,模仿自然的行为和结构组织。

无动物派生bioinks,比如nanofibrillar纤维素水凝胶,非常适合这个应用程序,因为他们并没有与身体引起免疫反应——任何植入的先决条件——使人类植入印刷的前景更加可行。同样,现在有证据表明nanofibrillar纤维素水凝胶可在整个协议用于干细胞疗法的一代——从最初的细胞处理和分化,通过使用作为细胞载体注入——避免任何矩阵问题。⁴

未来的方式

今天,排名前20位的制药公司和许多重大学术机构使用3 d生物。从药物发现的角度来看,3 d生物打印生成更多的生理相关模型,提供了更有效的预测相比,常用的动物模型,越来越让人皱眉头,立法反对。更好地模拟人体对不同化合物的反应意味着糟糕的候选人应该取消从开发管道更加迅速,留下最大的关注那些成功的可能性。这将有助于加速候选人选择的速度,同时降低成本。

最终的梦想是器官打印例如,新的胰腺的糖尿病病人——尽管这还有一段路要走。3 d生物打印使用病人自己的细胞会减少被拒绝的可能性和克服供体短缺的问题。然而,植入需要高度管制,并执行在临床使用器官和功能的证明,打印在一个高度无菌环境。自动化已经扮演重要角色,在质量控制,和nanofibrillar纤维素水凝胶可以提供帮助。这些植物种苗适合自动化,可以使用在整个细胞培养协议,并且可以可靠和可重复每天,每月,每年。自动化还可能建立和验证一个端到端的协议在一个设施,并转移到另一个环境中,甚至在另一个国家。这将帮助相关监管机构的批准,希望支持更快地采用新的治疗方法。

结论

3 d生物打印已经打开了闸门三维细胞培养,给研究人员的一个简单的路线,以更好地表示人体相比传统2 d环境。这允许更复杂的和复杂的结构和模式的调查,帮助研究人员更好地理解细胞的行为,然后可以应用于药物疗法和个性化的治疗方法的新发展。从长远来看,“打印自己的“器官技术也可能成为现实——一个真正令人兴奋的前景研究人员,临床医师和病人。

引用:

1。Klebe RJ。Cytoscribing:方法micropositioning细胞和三合成组织的建设。实验细胞Res。1988,179 (2):362 - 73。0014 - 4827 . doi: 10.1016 / (88) 90275 - 3

2。威尔逊Jr。WC,博兰t细胞和器官打印1:蛋白质和细胞打印机。阿娜特Rec越是加大摩尔细胞另一个星球的生物。2003,272 (2):491 - 496。doi: 10.1002 / ar.a.10057

3所示。Dhariwala B,亨特E,博兰t .快速原型的组织工程的结构,使用photopolymerizable水凝胶和有限元。组织中。2004;10 (9):1316 - 1322。doi: 10.1089 / ten.2004.10.1316

4所示。Chang谷岩,豪雅RA, Oleksijew,傻瓜KS,罗克CB,所以Nella KT, McGuire TL, Matsuokaa AJ。一个工程三维在内耳干细胞利基应用nanofibrillar纤维素水凝胶缓释神经营养因子输送系统。Acta Biomater。2020;108:111 - 127。doi:10.1016 / j.actbio.2020.03.007

关于作者:

Johana Kuncova-Kallio是导演,其生物医学。

Erik Gatenholm是首席执行官,BICO。

Avijit Minocha是营销主管,BICO。