淺談【3D生物列印】器官晶片的應用與優勢-中篇

標題：淺談【3D生物列印】器官晶片的應用與優勢-中篇

前言

在前一篇文章中，我們介紹了器官晶片的歷史及市場，還有為什麼要以【3D生物列印】技術來開發器官晶片。

本文將更深入的探討【3D生物列印】技術現今在器官晶片上的研究及應用。

👏心臟和血管

使用無支架式的【3D生物列印】技術製作心臟組織，比起傳統3D組織工程可獲得更真實的功能，像是可用心肌內皮細胞，建立有助於觀察心血管藥物的毒性、抗癌藥物的篩選，以及研究血管和管壁的生理病理和血栓形成等等的研究。

👏腦部與血腦屏障(Bolld-brain-barrier, BBB)

BBB是指身體選擇性的阻止某些物質由血液直接進入腦中的現象 (通常只能讓氧氣、二氧化碳和血糖通過，不會讓大分子藥物及蛋白質通過)。

透過【3D生物列印】器官晶片，研究人員能夠更好地模擬腦部和血腦屏障，從而建立腫瘤的疾病模型、分子生物學、及其交互作用、免疫系統、藥物篩選及藥物滲透性等方面的研究，並有究指出它能精準預測惡性腫瘤的等級。

下圖OOC平台(左)可使用隔間結構，沿著設計線可看氧氣的分佈及濃度。右圖則是模擬BBB的OOC。

👏肺和氣道(airway)

傳統使用多孔PDMS膜模擬人體肺部的肺泡-毛細血管界面，以模擬肺水腫等疾病，並研究器官層級對細菌和發炎細胞因子的反應，但因過程複雜，因此再現性較低。現在使用【3D生物列印】技術來創建模擬呼吸系統疾病的氣道晶片，可以透過模擬過敏引起的氣喘惡化和氣喘性氣道發炎，能更貼近呼吸道疾病的真實樣貌。

下圖可看到在氣道的OOC中血管網路的形成。

👏肝臟

傳統2D、3D培養的肝臟細胞的增生與再生能力與功能(如酵素活性、白蛋白的分泌)因缺乏灌注系統，大約只能維持1周左右。使用【3D生物列印】的肝臟器官晶片，可藉由晶片上的血管/膽道通道清除產生的廢物和血管通道來供應養分；在此系統中不但較傳統法更貼近肝臟功能(如白蛋白、尿素的含量均比傳統法高)，在藥物反應上也較傳統法來的敏感。

👏腸道

使用PDMS的微流體晶片透過【3D生物列印】實現了類似OOC的平台，用於研究結直腸癌。

該結構包括通道（允許生理液體流向細胞的建構物）。其生物墨水提供類細胞外基質的微環境，還在生物列印過程中能增加細胞的存活力，因此可以更真實地模擬腸道生理條件。並可建構陣列和獨立微通道的晶片，用來進行藥物毒性實驗。

👏腎臟

傳統的腎臟晶片模型雖然可模擬人體腎臟的結構和功能，如重吸收功能，可用於疾病模擬、藥物篩選和個人化治療，但在模擬複雜的三維結構、藥物反應和重吸收等組織功能方面仍有問題。【3D生物列印】技術可以製造複雜的管腔組織結構，克服了腎臟模型的限制，並能在生理剪切應力下維持2個月的生存能力，並在組織細胞生長高度更接近健康人類近曲小管的高度(也比2D灌注系統高了40%)，另外在微絨毛平均長度上也較傳統更高更貼近體內狀況(比2D灌注系統高了40%)，在另一個研究中發現白蛋白的攝取(這是傳統法無法做到的)。

此外在藥物篩選試驗中，突顯了該晶片模型在藥物反應的長期研究中的特異性和可調節性，及腎臟再吸收現象。

結論

【3D生物列印】技術結合OOC平台，可因應不同器官特性將OOC平台做不同設計，以達到在不同器官的應用領域為醫學研究和藥物開發提供了更真實、更準確的模型。

這將推動醫學科學的發展，幫助疾病的早期診斷和治療，同時減少了藥物研發的成本和風險。這些應用前景廣闊，將為醫療保健產業帶來革命性的改變。

參考文獻

1. 3D bioprinted organ-on-chips. 2022.

2. Recent Advances in Organ-on-Chips Integrated with Bioprinting Technologies for Drug Screening. 2023.

3.更多精彩研究圖片，可詳見上列Review內參考文獻