近日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所副研究員于寅團(tuán)隊(duì)在國際知名學(xué)術(shù)期刊中國工程院院刊《Engineering》上發(fā)表了特邀綜述文章“Progress in Organ Bioprinting for Regenerative Medicine”。文章詳細(xì)探討了器官生物打印在再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的最新進(jìn)展，并對(duì)該領(lǐng)域的未來發(fā)展及面臨的挑戰(zhàn)提出了新的見解和思考。
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https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.04.023
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器官損傷或衰竭由于受傷、疾病和衰老而常常發(fā)生，人體在大多數(shù)組織或器官中的再生能力有限。器官移植是面對(duì)器官衰竭或嚴(yán)重組織損傷的重要醫(yī)療手段，但卻面臨著供體短缺和免疫排斥風(fēng)險(xiǎn)等重大挑戰(zhàn)。因此，創(chuàng)新的解決方案變得至關(guān)重要。在這種背景下，按需3D生物打印器官在組織工程和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。
圖1 3D打印實(shí)體器官示意圖。
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器官生物打印是一種利用3D打印技術(shù)來制造生物組織和器官的創(chuàng)新方法。它通過將活細(xì)胞作為“墨水”進(jìn)行打印，精確地將這些細(xì)胞組裝成具有功能性的三維結(jié)構(gòu)。這項(xiàng)技術(shù)被寄予厚望，認(rèn)為可以有效解決器官移植中的供體短缺問題，同時(shí)避免移植排斥反應(yīng)和長時(shí)間等待帶來的困擾。
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文章詳細(xì)介紹了器官生物打印技術(shù)的多方面進(jìn)展，包括但不限于生物材料的發(fā)展、打印精度的提升以及功能性組織的成功構(gòu)建。研究團(tuán)隊(duì)指出，生物打印在小型組織如皮膚、軟骨、血管等的制造上已表現(xiàn)出良好的前景，這些成功案例為日后的復(fù)雜器官打印提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)支持。
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盡管取得了顯著的進(jìn)展，器官生物打印技術(shù)在應(yīng)用中依然面臨諸多挑戰(zhàn)。首先是生物材料的選擇和優(yōu)化，如何找到既有良好生物相容性又能承受打印工藝的材料是目前的難點(diǎn)之一。其次，打印精度的進(jìn)一步提高也是一個(gè)重要問題，特別是在構(gòu)建復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)和血管網(wǎng)絡(luò)方面。此外，如何確保打印出的組織和器官能夠在體內(nèi)正常發(fā)揮功能，仍需要大量的實(shí)驗(yàn)和測(cè)試。文章接著討論了心臟、肝臟、腎臟和胰腺等實(shí)體器官生物打印的最新進(jìn)展，強(qiáng)調(diào)了血管化和細(xì)胞整合的重要性。最后，文章對(duì)器官生物打印在臨床轉(zhuǎn)化和大規(guī)模生產(chǎn)方面面臨的主要挑戰(zhàn)進(jìn)行了深入探討，并提出了未來研究方向。
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文章進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了多學(xué)科合作在這一領(lǐng)域中的關(guān)鍵作用。器官生物打印不僅僅是工程技術(shù)的突破，還涉及材料科學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等多個(gè)學(xué)科的密切協(xié)作。研究團(tuán)隊(duì)呼吁更多的科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)加入這一行列，共同推動(dòng)技術(shù)朝著臨床應(yīng)用方向發(fā)展。
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展望未來，器官生物打印將在再生醫(yī)學(xué)、個(gè)性化治療以及藥物篩選等多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。例如，工程化的生物打印器官不僅可以精確模擬器官的解剖結(jié)構(gòu)，還具備功能性，為各種研究提供了重要平臺(tái)。文章提出了如何進(jìn)一步提高材料性能和如何促使這些工程化器官在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用的新見解。這些新見解將有助于解決當(dāng)前器官短缺和移植排斥等重大醫(yī)療挑戰(zhàn)，推動(dòng)再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。
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圖2. 生物打印的組織和器官的臨床轉(zhuǎn)化路徑和倫理學(xué)考量。
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中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所副研究員于寅與副研究員陳飛，賓夕法尼亞州立大學(xué)教授Ibrahim T. Ozbolat為本文的共同通訊作者，研究助理王象以及張迪為共同第一作者，技術(shù)員賴嘉琪、鄧國滔，賓夕法尼亞州立大學(xué)Yogendra?Pratap Singh和Miji?Yeo等對(duì)本文撰寫也做出重要貢獻(xiàn)。工作獲得了包括國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、深圳市科技重大專項(xiàng)、深圳市材料合成生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等項(xiàng)目的支持。
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