3D生物打印鼻软骨可用于癌症治疗,你信吗?

3D打印资讯
2021
05/07
17:25
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2021年5月7日,南极熊获悉,加拿大阿尔伯塔大学的研究人员开发了一种3D生物打印定制化鼻软骨的方法,用于治疗患有面部畸形的癌症患者。

阿尔伯塔大学的科学家使用CELLINK 3D生物打印机,已经能够将患者细胞和胶原蛋白水凝胶的混合物精确地沉积成鼻腔形状,然后再将其培养成功能性的软骨。鉴于正常的鼻移植物经常会出现肺部感染甚至塌陷的风险,因此该团队的植入物可能代表了未来治疗癌症患者面部肿瘤的更安全,更快捷的方法。
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阿尔伯塔大学医学牙科系的外科教授Adetola Adesida说:“在一个人的体内制作软骨需要一辈子,而这种方法大约需要四个星期。因此,您还需要等待它的技术成熟到一定程度,尤其是在植入体内时。但从功能上讲,它能够完成软骨所能做的事情。”


优化重建手术

在北美,每年有超过300万人被诊断为非黑色素瘤皮肤癌,平均40%的人会出现需要截骨的鼻子病变。虽然这项手术是必要的,因为它可以挽救生命,但它需要永久性切除鼻软骨,往往会留下疤痕和面部毁容。

另外,考虑到鼻腔细胞的血管形成性较差,它们无法像人体其他部位那样进行再生,因此通常从患者的肋骨上获取移植物,这可能会导致并发症。Adesida解释说:“当外科医生调整鼻子的形状时,它是笔直的,但是当它适应新环境时,它将经历一个变形的时期,在这个时期它会翘曲。从直观视觉上看,这是个问题。”

肋骨也是人体解剖学中高度敏感的区域,手术可能会使那些肺部塌陷的患者面临感染,甚至死亡的风险。为了减少移植的危险性,美国科学家建议,可以精确地设计病人特定的细胞移植物,以创造出真实而强健的鼻组织。

此前,研究小组已经成功地将人鼻中隔软骨细胞(hNCs)植入到胶原支架上,但最终得到的细胞在形状和分布上受到限制。然而,他们在新的研究中发现,生物打印提供了获得均匀组织所需的精度,尽管只有在与定制的生物墨水一起使用时,但这种墨水可以提供可行的细胞结构。

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△Adetola Adesida(如图)与美国一个研究小组共同开发了“实时监测”的生物打印技术。图片来自美国医学院牙科系

“实时监测”的3D生物打印方法

鉴于I型胶原具有天然的生物相容性,并已得到广泛的临床认可,它通常用于软骨组织的制造,但其低粘度的特性确实限制了打印适用性。为了解决这个问题,科学家们采用了一种形式自由可逆的悬浮水凝胶包覆和“实时监测”的方法,包括将细胞与胶原蛋白预先混合,然后在明胶载体中培育出打印配料。

随着时间的推移,支撑物慢慢融化,留下一个组合结构,随后可以添加可溶性软骨生成因子,以促进其生长。该团队的体外工程方法被证明是有效的,因为这是他们能够密切监测软骨发育的关键要素,一旦生长完成便意味着“手术准备就绪”。

科学家们利用实时更新的模型,最终能够制造出多孔的鼻状结构,这些结构在短短6周内就生长成了与它们的原生同类物毫无差别的组织。扫描电镜成像还显示,这些结构的细胞存活率为95%,研究人员观察到它们与传统的人类软骨有着“非常相似的结构”。

然而,尽管他们的植入物展现出了新的希望,但研究小组承认,植入后的整合仍然难以预测,需要进一步研究。目前,科学家们正在评估他们的实验室生成的软骨在动物体内植入后是否保留其特性,目标是从现在起2-3年内进入人体试验阶段。

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△3D生物打印标本的模型,包括布满细胞的鼻形结构。图片来自FASEB期刊

3D生物打印用于癌症治疗

仅在过去的十二个月当中,就已经有多位科学家采用3D生物打印技术来生产各种各样的细胞支架,每种支架都可以针对肿瘤生长的不同元素进行定制。在华盛顿州立大学(WSU),研究人员开发了一种3D打印的注入大豆的骨支架,能够抵抗癌细胞。

WSU小组的方法可减少样本中的炎症,使其有潜力成为帮助年轻的骨肉瘤癌症患者的更温和的治疗方法。同样,由西班牙领导的研究小组最近配制了可产生α-T细胞的水凝胶,可将其3D打印到模仿癌症淋巴结行为的组织中。

同时,日本名古屋市立大学的科学家们已经成功地使用基于鱼明胶的聚合物水凝胶对药物输送系统进行了3D生物打印。可植入的贴片可以载有用于癌症治疗的聚乙二醇化脂质体阿霉素,这种方法也可能非常适合在其他领域进行纳米药物输送。

本文研究人员的相关发现在题为“Bioprinting of human nasoseptal chondrocytes‐laden collagen hydrogel for cartilage tissue engineering”的论文中进行了详细说明。
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论文链接:https://faseb.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1096/fj.202002081R




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