4步驟！3D打印進(jìn)行藥物篩選的詳解來啦！

在前期的3D生物打印系列科普中，我們?yōu)榇蠹液唵谓榻B了如何運(yùn)用3D生物打印進(jìn)行藥物篩選。本期3D打印科普專欄將為您詳細(xì)普及3D打印進(jìn)行藥物篩選的四步驟，一起來看看吧。

1986年，Charles Hull開發(fā)了世界上第一臺商業(yè)3D打印機(jī)，30多年后的今天，3D打印已融入進(jìn)我們生活中的方方面面。2000年前后，Clemson university、University of Missouri、Drexel University的諸位教授首次提出了生物3D打印這一概念，這是人類首次將生物和3D打印技術(shù)進(jìn)行結(jié)合的嘗試，生命和制造之間從此多了一條聯(lián)系的紐帶。

藥物篩選的主要目的是在臨床試驗(yàn)前識別和優(yōu)化潛在藥物已期獲得批準(zhǔn)的候選藥物。藥物篩選通過在初始階段迅速排除不合適的候選藥物，可以減少不必要的時(shí)間和成本。應(yīng)用3D打印進(jìn)行藥物篩選有以下4個(gè)步驟：

一、3D疾病建模

建立一個(gè)更準(zhǔn)確地復(fù)制病理生理行為和對潛在藥物做出反應(yīng)的疾病模型，可以提高藥物驗(yàn)證研究的可靠性。因此，3D微環(huán)境的成分在藥物篩選中的優(yōu)勢是可以通過將細(xì)胞封裝在細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）中來實(shí)現(xiàn)。3D培養(yǎng)系統(tǒng)可以通過細(xì)胞與ECM的相互作用以及細(xì)胞與細(xì)胞的相互作用來復(fù)制熟悉的體內(nèi)條件，從而實(shí)現(xiàn)天然組織中發(fā)生的物理化學(xué)反應(yīng)。3D培養(yǎng)條件通過提供自然環(huán)境、增強(qiáng)細(xì)胞功能和促進(jìn)先天表型，能夠更精確地復(fù)制成熟組織。研究人員已經(jīng)建立了肺、心臟、肝、腎、腫瘤等多個(gè)組織的3D疾病模型用于藥物篩選。

一名20個(gè)月男孩的先天性心臟病3D打印模型。（A） 根據(jù)心臟CT圖像創(chuàng)建的3D打印模型顯示主動脈和肺動脈干從右心室引出（白色箭頭），以及室間隔缺損（黑色箭頭）。（B） 3D心臟模型使用光聚合材料打印，顯示材料的靈活性。

二、高通量篩選

藥物開發(fā)需要考慮各種因素，包括明確的量化篩選標(biāo)準(zhǔn)、通過反向篩選進(jìn)行比較、精確測序、藥物代謝過程以及對假陽性和陰性結(jié)果的反應(yīng)。高通量篩選（HTS）與藥代動力學(xué)和毒理學(xué)直接相關(guān)，已被廣泛用于制藥行業(yè)，高效地應(yīng)用于新藥開發(fā)。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)樣本通過手動使用多通道移液器將少量體積的細(xì)胞懸浮液轉(zhuǎn)移到96孔或更大的測試板中。這種耗時(shí)的過程重復(fù)性較差，因此需要高度自動化，才能在大量實(shí)驗(yàn)樣本中快速發(fā)現(xiàn)理想的藥物化合物。HTS已經(jīng)與液體處理裝置、機(jī)器人、讀板器和用于儀表控制和數(shù)據(jù)處理的軟件程序結(jié)合起來。因此，HTS在藥物開發(fā)的早期階段可排除療效、安全性和實(shí)用性較差的候選藥物組合，節(jié)省了時(shí)間和成本。HTS已被廣泛用于基于代謝、藥代動力學(xué)和毒理學(xué)的潛在藥物的細(xì)胞反應(yīng)調(diào)查，以評估其有效性和潛在不良反應(yīng)。

三、3D打印技術(shù)

3D打印是從數(shù)字文件創(chuàng)建3D對象的增材制造工藝。3D生物打印技術(shù)通過精確定位生物材料、細(xì)胞和生物分子，可創(chuàng)建具有高重復(fù)性和多功能性的組織平臺。在設(shè)計(jì)體外生理功能模型/裝置的過程中，研究人員應(yīng)該考慮3D生物打印的各個(gè)方面，如合適的生物材料、細(xì)胞來源和打印策略。

3.1 生物墨水

可用于打印的生物材料通常被稱為生物墨水，其對于構(gòu)建具有所需生物物理和生物化學(xué)特性的組織結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。目前用作生物墨水的生物材料主要是天然或合成聚合物，因其具有生物相容性和打印適用性。天然衍生的生物材料與天然組織中的生物物理和生物化學(xué)成分具有更大的相似性，與合成生物材料相比，可以很好地再現(xiàn)生物反應(yīng)。從動物或人類組織中分離的許多天然聚合物已被開發(fā)為生物墨水，并顯示出優(yōu)越的細(xì)胞親和力。然而，包括膠原蛋白、明膠、海藻酸鈉和透明質(zhì)酸在內(nèi)的大多數(shù)天然生物墨水僅含有細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的單一蛋白質(zhì)成分，在表達(dá)內(nèi)在生物物理和生化元素方面仍然有限，如生長因子、糖胺聚糖、層粘連蛋白、纖維連接蛋白和彈性蛋白。最近的研究顯示脫細(xì)胞ECM（dECM）是一種有前途的生物墨水，每個(gè)dECM生物墨水中都保留了多種固有的基質(zhì)蛋白成分，在誘導(dǎo)組織特異性細(xì)胞行為方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。雖然天然聚合物衍生的生物墨水可以提供更好的細(xì)胞親和力，但其較弱的機(jī)械性能阻礙了細(xì)胞結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。為了彌補(bǔ)其固有的局限性，研究人員利用合成聚合物來改善或調(diào)節(jié)天然衍生生物墨水的一系列特性，包括機(jī)械性能、降解曲線、交聯(lián)機(jī)制和化學(xué)成分。例如，通過結(jié)合聚乙二醇（PEG）和甲基丙烯酸明膠（GelMA）（即變性膠原）開發(fā)了一種光交聯(lián)復(fù)合水凝膠，并證明其生物和機(jī)械性能可以通過改變每種成分的濃度來調(diào)節(jié)。選擇合適的生物墨水取決于多種因素，例如目標(biāo)組織的特征、打印策略和生物過程。為了有效地構(gòu)建藥物篩選平臺和藥物遞送裝置，有必要繼續(xù)開發(fā)并不斷優(yōu)化可調(diào)節(jié)的物理和化學(xué)生物材料。

生物墨水

3.2 細(xì)胞來源

盡管大多數(shù)藥物遞送裝置都是無細(xì)胞的，但在設(shè)計(jì)藥物篩選平臺以更準(zhǔn)確地反映感興趣組織的生理狀態(tài)和病理過程時(shí)，選擇適當(dāng)?shù)募?xì)胞至關(guān)重要。三種類型的細(xì)胞源（原代細(xì)胞、細(xì)胞系和干細(xì)胞）通常用于創(chuàng)建3D生物打印細(xì)胞模型。為了縮小由于動物和人類之間的遺傳差異而導(dǎo)致的生物反應(yīng)差異，大多數(shù)用于疾病建模的體外平臺更傾向于利用來自人類組織的細(xì)胞。在各種細(xì)胞類型中，直接從組織中分離的原代細(xì)胞具有在特定點(diǎn)或階段復(fù)制組織功能的優(yōu)勢。能夠長時(shí)間持續(xù)繁殖的細(xì)胞稱為細(xì)胞系，這些永生化細(xì)胞系可以通過基因突變或人工修飾無限增殖。與其他類型的細(xì)胞相比，細(xì)胞系可以以較低的價(jià)格購買，并且便于處理。因此，細(xì)胞系是檢測細(xì)胞建立新的組織制造平臺的理想選擇。然而，由于細(xì)胞系失去了原始組織的固有特征，受歡迎度不高，也不適合用于個(gè)性化人工組織的開發(fā)。3D生物打印中常用的第三種細(xì)胞是干細(xì)胞，包括間充質(zhì)干細(xì)胞、胚胎干細(xì)胞和誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（IPSC）。干細(xì)胞具有自我更新和分化潛能，由于其在組織再生醫(yī)學(xué)和體外人類疾病建模方面的無限潛力，正逐漸引起人們的關(guān)注。研究人員利用膠質(zhì)瘤干細(xì)胞創(chuàng)建了一個(gè)腦腫瘤模型，構(gòu)成腦腫瘤模型的干細(xì)胞在整個(gè)體外培養(yǎng)期間保持其固有特性，同時(shí)具備分化潛能。然而需要解決的問題是，干細(xì)胞怎樣能夠精確地分化為所需的譜系，以及在遺傳上與胎兒細(xì)胞相似的未成熟細(xì)胞表型。

3D生物打印中使用的細(xì)胞類型

3.3 打印策略

生物材料沉積的3D打印策略包括噴墨式、擠出式、光固化式這三種。這些方法具有不同的特點(diǎn)，包括打印機(jī)制、分辨率、速度和適用的生物材料。在此，可以關(guān)注往期的3D生物打印系列科普有詳細(xì)介紹。

四、藥物篩選

為了評估候選藥物的藥物安全性和治療效果，體外分析平臺應(yīng)該精確地再現(xiàn)靶組織/器官的解剖特征和關(guān)鍵功能。由于具有靈活定位細(xì)胞、生物分子和生物材料的優(yōu)勢，3D生物打印技術(shù)能夠建立先進(jìn)的3D細(xì)胞培養(yǎng)設(shè)備，該設(shè)備通?？煞譃槿齻€(gè)典型主題：類器官、芯片上器官（OOC）和組織/器官等效物。

3D生物打印的示意圖，能夠建立3D細(xì)胞培養(yǎng)設(shè)備，包括類器官、芯片上器官和組織/器官等效物，可以促進(jìn)藥物發(fā)現(xiàn)、藥物篩選和疾病建模的藥物應(yīng)用。

德國跨國制藥公司拜耳2020年宣布將在3D打印心臟組織上測試新藥。特拉維夫大學(xué)去年取得了重大突破，推出了世界上第一個(gè)3D打印心臟和血管，該研究將加速藥物驗(yàn)證研究。特拉維夫大學(xué)的研究人員將與拜耳合作，在未來幾年內(nèi)使3D打印心臟組織和最終的整個(gè)人類3D打印心臟來測試新藥物的毒性和功效。盡管研究人員估計(jì)將需要10到15年才能復(fù)制準(zhǔn)備好移植的器官，但在生物打印組織上驗(yàn)證藥物現(xiàn)在就可以開始。3D打印組織可以實(shí)現(xiàn)比以前的方法更快、更便宜和更有效的篩選。以特拉維夫大學(xué)Tal Dvir 教授的實(shí)驗(yàn)室為例，候選藥物在到達(dá)藥店之前要經(jīng)過幾個(gè)階段的篩選。首先，新化合物在實(shí)驗(yàn)室的培養(yǎng)皿上進(jìn)行人體組織培養(yǎng)測試。然后，將其施用于實(shí)驗(yàn)動物。最后，該藥物被批準(zhǔn)用于人體臨床試驗(yàn)。Tal Dvrir 教授解釋了使用3D打印組織的好處，“我們的打印組織包含心肌、血管和細(xì)胞外基質(zhì)，它們以生化、機(jī)械和電的方式連接不同的細(xì)胞。從培養(yǎng)皿轉(zhuǎn)移到3D打印組織可以改善藥物測試，節(jié)省寶貴的時(shí)間和金錢，生產(chǎn)更安全、更有效的藥物?！?/p>

在 3D 打印的心臟組織上測試藥物