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3D生物列印,能將人腦結構和神經元都列印出來嗎?

3D生物列印,能將人腦結構和神經元都列印出來嗎? Credit:jepoirrier@Flickr CC BY-SA 2.0

減少動物實驗

當您享受現成的醫藥科技的同時,背後是龐大的研究花費和多次的動物實驗,這裡面當然也包含人類臨床實驗,這些生命的犧牲,在某些程度上或許不能完全避免,但科學家正努力將這樣的犧牲減到最少。這幾年崛起的幾個取代動物來進行藥物測試的想法,一個就是「器官模擬晶片」(Organ on a Chip),它是一個晶片大小的裝置,可模擬人類器官結構和生理機制,因其較動物組織更接近人體,所以被科學界認為將改變現行的藥物實驗流程;而另一個就是3D生物列印器官,這個想法在美國Organovo公司發表其列印的肝臟組織後,全球紛紛跟進,也開始列印各種器官組織,雖然還未到達列印完整器官的境界,尚未能做為器官移植之用,但列印出來的擬真生物組織,被視為是藥物測試上相當好的材料。

3D生物列印的優點

3D生物列印器官,首要在模擬組織的3D結構,這點是傳統細胞培養建立的2D細胞結構,不容易達到的,3列印讓不同的細胞能正確被安置到適當的結構位置;再者,為完整器官功能的建立,這點目前各界仍在努力中。其中,或許因為腦不被列為目前器官移植的選項,同時組織結構的複雜度,又以腦結構最為複雜,所以大多數3D生物列印以能夠移植的器官為首選。

列印腦組織

腦的組織非常的複雜,含有約8.6億的神經細胞,科學家僅是試圖建立這樣的結構,來了解腦的運作,都是極大的挑戰。而有3D生物列印這樣的概念後,澳洲「臥龍岡大學」(University of Wollongong)的ARC電子材料科學卓越中心(ARC Centre of Excellence for Electromaterials Science, ACES)的研究員,藉由3D列印疊層組成結構的方式,將神經元細胞也整合進去,列印模擬腦的組織。為了列印有六層結構的腦組織,研究員開發了特殊的「生物墨水」(bio-ink),內含有自然產生的「碳水化合物」(carbohydrate)材料、「修飾性胜肽生物聚合物」(peptide-modified biopolymer)、結蘭膠(gellan gum-RGD, RGD-GG)和大腦主皮質神經元(primary cortical neurons)。這個特製的墨水,能讓細胞正確地在結構內分散開來,也提供少見的腦細胞保護功能;同時,這款墨水已經開開成能在標準細胞培養設備下使用,也不需要昂貴的生物列印設備,優化為3D生物列印使用的墨水。列印結果顯示,「結蘭膠能有效地幫助細胞繁殖和彼此建立網絡。

這項成果,除了應用到藥物實驗,也能提供3D組織細胞行為研究,其他腦疾病像是神經分裂、腦退化的研究,都是非常好的資源。

結構擬真人體

綜合以上,3D生物列印的細胞組織,在結構的擬真上優於2D的細胞培養組織;且它可以人類細胞為基礎來進行培養,讓成品更接近人類,這一點遠比做動物實驗要來得好,避免了現行藥物實驗的缺點,也就是進行動物實驗時未能找到問題,直到臨床人體實驗才發覺問題的缺點獲得改善。

全腦列印?

未來有一天,是否有可能列印全腦組織,進行移植呢?如果能列印完整神經元,是否有機會串接斷掉的神經?

文章參考:University of Wollongong
圖片來源:jepoirrier@Flickr   CC BY-SA 2.0
原文參考:Biomaterials


作者簡介

BioMeder

生醫人網摘的編輯。熱愛創新和用腦袋的事物,堅持文章一定要有邏輯性,藉由追蹤報導生醫領域的創新和應用來傳播知識。