3D打印活细胞为未来医药和无残忍动物产品铺平道路

欧盟资助的研究人员正在扩展3D打印的可能性，以创造微型人体器官以及由活组织制成的各种产品，包括食物。

3D打印自20世纪80年代诞生以来取得了长足进步，被认为是许多制造工艺中必不可少的工具。然而，现在，意大利生物工程师RiccardoLevato博士等研究人员正在将这项技术推向一个令人兴奋的新方向。

如果除了汽车零部件和设计师家具之外，我们还能通过生物打印活细胞来打印人体器官或再生人体组织，那会怎样?

莱瓦托是荷兰乌得勒支大学医学中心和乌得勒支大学的生物制造和再生医学副教授，他领导着一支来自比利时、意大利、荷兰、瑞典和瑞士的研究团队，他们获得了欧盟的资助来进行这项研究。

作为2021年至2025年开展的研究计划ENLIGHT的一部分，他们正在开发由人类细胞制成的微型3D打印胰腺。

他们希望，这可以提高治疗糖尿病的新疗法测试的可靠性和准确性，甚至有一天可以实现在实验室中培育用于人体移植的器官。

生活蓝图

这项研究的主要工作材料之一是干细胞。这些细胞能够根据接收到的信号长成多种不同类型的人体组织，如肌肉细胞、血细胞、脑细胞。

最初的实验旨在支持糖尿病患者，实验中使用实验室中从干细胞中培养的胰岛素生成细胞。然而，简单地将这些细胞移植到患病的胰腺中只能提供短期缓解。据Levato称，这是因为这些细胞缺乏适当的支持。

“当你将这些细胞移植到没有结构、没有血管、没有保护材料的环境中时，它们会随着时间而死亡，”他说。“这个过程只持续几年，然后你就必须重复这个过程。”

Levato和ENLIGHT团队正试图通过3D打印人体组织、活细胞来解决这个问题，从而形成带有血管的三维植入物。这很有挑战性，因为活细胞很脆弱，无法在正常的3D打印过程中存活下来。

研究人员通过使用富含水的凝胶(称为生物墨水)解决了这个问题，这种凝胶在打印过程中可以携带和滋养细胞。然后，他们需要能够引导细胞分化过程，以便器官按照其遗传“蓝图”发育。他们使用光来实现这一点。

轻触

ENLIGHT研究人员开发出一种新颖的3D打印技术，该技术利用光来塑造含细胞的生物墨水，而不是像传统3D打印机那样通过喷嘴挤压它，因为后者会损坏细胞。

莱瓦托说：“我们本质上是在这种介质中间创建一种我们想要打印的物体的光全息图。”

“在这种3D光结构中，培养基变成固体，而在其他地方则保持液体状态，因此您可以直接将其洗掉。细胞被包裹在明胶状物质中，类似于活组织中的细胞外基质。”

然后研究人员将细胞暴露在特定波长的光下，促使细胞成熟为产生胰岛素的细胞。

该团队目前正在实验室中测试他们的植入物，研究人员希望这种3D打印类器官能够在本世纪末之前成为标准药物开发程序的一部分。

然而，莱瓦托警告说，要使生物打印的类器官适合移植到人类患者体内还需要相当长的时间。

无残忍

ENLIGHT团队的工作优势之一是它可以大大减少动物测试的需要。能够打印栩栩如生的人体类器官不仅可以提高药物测试的准确性，还意味着可以避免数百万实验动物遭受痛苦。

英国格拉斯哥大学生物工程学教授马西莫·瓦萨利博士对3D打印活体组织的概念进行了略微不同的诠释，但也有可能减轻动物的痛苦。

他领导着一项由欧盟资助的多国研究计划，名为PRISM-LT，旨在开发各种活体组织的经济高效的3D打印技术。他们的工作将持续到2027年，可能在生物医药和食品生产方面都有相关应用。

“该项目的目标是创建一个平台技术，以解决各种活体组织的制造问题，供医疗保健和食品行业使用，”瓦萨利说。“事实上，除了更明显的医疗用途之外，我们还看到3D生物打印在可持续和清洁食品生产中发挥着重要作用，”他说。

瓦萨利认为，挑战在于创造复杂的异质组织，真实地模仿生物材料的质地。例如，肉包含肌肉细胞和脂肪细胞，也包含形成结缔组织的细胞。

为了制造出感觉像真肉的肉，研究人员需要找到方法来指导干细胞在预定义的结构内精确地产生所需类型的组织-然后随着时间的推移维持这一过程。

完善差异化

研究人员正在探索一种模拟自然共生过程的方法。他们将细菌或酵母(Vassalli称之为工细胞或辅助细胞)与干细胞混合在3D打印生物墨水中，以帮助引导分化过程。

他说：“这些细胞要么是细菌，要么是酵母，它们可以感知细胞的运动方向，并开始产生化学物质来帮助它们进一步分化。”

该团队希望在项目结束时能够创建厘米级的组织立方体，首先重点关注用于医疗应用的3D打印骨髓和大理石纹培养肉样本。

“生物打印技术为组织最终成分的设计提供了更大的灵活性。这满足了个性化医疗保健应用的需求，”瓦萨利说。

“食品的生产需要更长的时间，因为技术的扩大需要耗费大量的能源。我们在实验室中使用的3D打印机并不适合为人群生产肉类。存在一个需要弥补的技术差距。”