4步骤！3D打印进行药物筛选的详解来啦！

在前期的3D生物打印系列科普中，我们为大家简单介绍了如何运用3D生物打印进行药物筛选。本期3D打印科普专栏将为您详细普及3D打印进行药物筛选的四步骤，一起来看看吧。

1986年，Charles Hull开发了世界上第一台商业3D打印机，30多年后的今天，3D打印已融入进我们生活中的方方面面。2000年前后，Clemson university、University of Missouri、Drexel University的诸位教授首次提出了生物3D打印这一概念，这是人类首次将生物和3D打印技术进行结合的尝试，生命和制造之间从此多了一条联系的纽带。

药物筛选的主要目的是在临床试验前识别和优化潜在药物已期获得批准的候选药物。药物筛选通过在初始阶段迅速排除不合适的候选药物，可以减少不必要的时间和成本。应用3D打印进行药物筛选有以下4个步骤：

一、3D疾病建模

建立一个更准确地复制病理生理行为和对潜在药物做出反应的疾病模型，可以提高药物验证研究的可靠性。因此，3D微环境的成分在药物筛选中的优势是可以通过将细胞封装在细胞外基质（ECM）中来实现。3D培养系统可以通过细胞与ECM的相互作用以及细胞与细胞的相互作用来复制熟悉的体内条件，从而实现天然组织中发生的物理化学反应。3D培养条件通过提供自然环境、增强细胞功能和促进先天表型，能够更精确地复制成熟组织。研究人员已经建立了肺、心脏、肝、肾、肿瘤等多个组织的3D疾病模型用于药物筛选。

一名20个月男孩的先天性心脏病3D打印模型。（A） 根据心脏CT图像创建的3D打印模型显示主动脉和肺动脉干从右心室引出（白色箭头），以及室间隔缺损（黑色箭头）。（B） 3D心脏模型使用光聚合材料打印，显示材料的灵活性。

二、高通量筛选

药物开发需要考虑各种因素，包括明确的量化筛选标准、通过反向筛选进行比较、精确测序、药物代谢过程以及对假阳性和阴性结果的反应。高通量筛选（HTS）与药代动力学和毒理学直接相关，已被广泛用于制药行业，高效地应用于新药开发。传统实验样本通过手动使用多通道移液器将少量体积的细胞悬浮液转移到96孔或更大的测试板中。这种耗时的过程重复性较差，因此需要高度自动化，才能在大量实验样本中快速发现理想的药物化合物。HTS已经与液体处理装置、机器人、读板器和用于仪表控制和数据处理的软件程序结合起来。因此，HTS在药物开发的早期阶段可排除疗效、安全性和实用性较差的候选药物组合，节省了时间和成本。HTS已被广泛用于基于代谢、药代动力学和毒理学的潜在药物的细胞反应调查，以评估其有效性和潜在不良反应。

三、3D打印技术

3D打印是从数字文件创建3D对象的增材制造工艺。3D生物打印技术通过精确定位生物材料、细胞和生物分子，可创建具有高重复性和多功能性的组织平台。在设计体外生理功能模型/装置的过程中，研究人员应该考虑3D生物打印的各个方面，如合适的生物材料、细胞来源和打印策略。

3.1 生物墨水

可用于打印的生物材料通常被称为生物墨水，其对于构建具有所需生物物理和生物化学特性的组织结构至关重要。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适用性。天然衍生的生物材料与天然组织中的生物物理和生物化学成分具有更大的相似性，与合成生物材料相比，可以很好地再现生物反应。从动物或人类组织中分离的许多天然聚合物已被开发为生物墨水，并显示出优越的细胞亲和力。然而，包括胶原蛋白、明胶、海藻酸钠和透明质酸在内的大多数天然生物墨水仅含有细胞外基质（ECM）的单一蛋白质成分，在表达内在生物物理和生化元素方面仍然有限，如生长因子、糖胺聚糖、层粘连蛋白、纤维连接蛋白和弹性蛋白。最近的研究显示脱细胞ECM（dECM）是一种有前途的生物墨水，每个dECM生物墨水中都保留了多种固有的基质蛋白成分，在诱导组织特异性细胞行为方面发挥了关键作用。虽然天然聚合物衍生的生物墨水可以提供更好的细胞亲和力，但其较弱的机械性能阻碍了细胞结构的构建。为了弥补其固有的局限性，研究人员利用合成聚合物来改善或调节天然衍生生物墨水的一系列特性，包括机械性能、降解曲线、交联机制和化学成分。例如，通过结合聚乙二醇（PEG）和甲基丙烯酸明胶（GelMA）（即变性胶原）开发了一种光交联复合水凝胶，并证明其生物和机械性能可以通过改变每种成分的浓度来调节。选择合适的生物墨水取决于多种因素，例如目标组织的特征、打印策略和生物过程。为了有效地构建药物筛选平台和药物递送装置，有必要继续开发并不断优化可调节的物理和化学生物材料。

生物墨水

3.2 细胞来源

尽管大多数药物递送装置都是无细胞的，但在设计药物筛选平台以更准确地反映感兴趣组织的生理状态和病理过程时，选择适当的细胞至关重要。三种类型的细胞源（原代细胞、细胞系和干细胞）通常用于创建3D生物打印细胞模型。为了缩小由于动物和人类之间的遗传差异而导致的生物反应差异，大多数用于疾病建模的体外平台更倾向于利用来自人类组织的细胞。在各种细胞类型中，直接从组织中分离的原代细胞具有在特定点或阶段复制组织功能的优势。能够长时间持续繁殖的细胞称为细胞系，这些永生化细胞系可以通过基因突变或人工修饰无限增殖。与其他类型的细胞相比，细胞系可以以较低的价格购买，并且便于处理。因此，细胞系是检测细胞建立新的组织制造平台的理想选择。然而，由于细胞系失去了原始组织的固有特征，受欢迎度不高，也不适合用于个性化人工组织的开发。3D生物打印中常用的第三种细胞是干细胞，包括间充质干细胞、胚胎干细胞和诱导多能干细胞（IPSC）。干细胞具有自我更新和分化潜能，由于其在组织再生医学和体外人类疾病建模方面的无限潜力，正逐渐引起人们的关注。研究人员利用胶质瘤干细胞创建了一个脑肿瘤模型，构成脑肿瘤模型的干细胞在整个体外培养期间保持其固有特性，同时具备分化潜能。然而需要解决的问题是，干细胞怎样能够精确地分化为所需的谱系，以及在遗传上与胎儿细胞相似的未成熟细胞表型。

3D生物打印中使用的细胞类型

3.3 打印策略

生物材料沉积的3D打印策略包括喷墨式、挤出式、光固化式这三种。这些方法具有不同的特点，包括打印机制、分辨率、速度和适用的生物材料。在此，可以关注往期的3D生物打印系列科普有详细介绍。

四、药物筛选

为了评估候选药物的药物安全性和治疗效果，体外分析平台应该精确地再现靶组织/器官的解剖特征和关键功能。由于具有灵活定位细胞、生物分子和生物材料的优势，3D生物打印技术能够建立先进的3D细胞培养设备，该设备通常可分为三个典型主题：类器官、芯片上器官（OOC）和组织/器官等效物。

3D生物打印的示意图，能够建立3D细胞培养设备，包括类器官、芯片上器官和组织/器官等效物，可以促进药物发现、药物筛选和疾病建模的药物应用。

德国跨国制药公司拜耳2020年宣布将在3D打印心脏组织上测试新药。特拉维夫大学去年取得了重大突破，推出了世界上第一个3D打印心脏和血管，该研究将加速药物验证研究。特拉维夫大学的研究人员将与拜耳合作，在未来几年内使3D打印心脏组织和最终的整个人类3D打印心脏来测试新药物的毒性和功效。尽管研究人员估计将需要10到15年才能复制准备好移植的器官，但在生物打印组织上验证药物现在就可以开始。3D打印组织可以实现比以前的方法更快、更便宜和更有效的筛选。以特拉维夫大学Tal Dvir 教授的实验室为例，候选药物在到达药店之前要经过几个阶段的筛选。首先，新化合物在实验室的培养皿上进行人体组织培养测试。然后，将其施用于实验动物。最后，该药物被批准用于人体临床试验。Tal Dvrir 教授解释了使用3D打印组织的好处，“我们的打印组织包含心肌、血管和细胞外基质，它们以生化、机械和电的方式连接不同的细胞。从培养皿转移到3D打印组织可以改善药物测试，节省宝贵的时间和金钱，生产更安全、更有效的药物。”

在 3D 打印的心脏组织上测试药物