从器官芯片到人体芯片，3D打印技术赋能生物芯片
2024-04-27 14:06:01   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

对优质“人体实验室”模型的需求

发现并测试新药是一个复杂的过程，并且花费昂贵。从历史上看，测试新药完全依赖于动物和人体。不过，研究人员正利用体外测试来研究一种潜在的新药对特定细胞类型的作用。

据麦姆斯咨询介绍，体外研究的相关性总是不确定的，因为不管是动物还是人体，作为一个各部分协同作用的完整个体，与细胞培养有很大区别。比如抗癌化学物质进入人体后，可能被肠道吸收，被肝脏加工成一种新的分子，并对大脑产生意想不到的影响。这些过程都不能仅仅通过癌细胞的培养来准确识别。

这不仅仅是一个学术问题，许多潜在新药在临床试验的第1期就失败了，这进一步揭示了动物和人体外研究未能及早发现的安全性问题。然而，上述研究还会花费很多资金，增加未来急救药物的成本。

幸运的是，“人体芯片（Body-on-a-chip）”新技术的到来可能会弥补这一不足，该新技术可以在实验室环境中更精确地模拟人体全身。

人体芯片

“人体芯片”也被称为“芯片上的人体”或微生理系统，旨在通过细胞培养来复制人体的全部或部分器官和组织。为此，它将多个微型体外器官（“器官芯片（organ-on-a-chip）”）连接在一起。

器官芯片是一种利用微流控为胞培养提供营养物质的技术，可以模拟营养物质和药物在真实器官中扩散。例如，可以创建一个模拟人类气道工作方式的“气道芯片（airway-on-a-chip）”模型，以及人类肠道、肾脏或骨髓的模型。

从器官芯片到人体芯片

通过结合多个器官芯片系统，人们可以开始创造一个完整人体所需的各个部分，并适时观察药物在一名“真实病人”身上的生物过程。

这可能意味着多种多样的生物机制，如免疫反应，肠道、肺部或血管中的药物吸收，肌肉收缩和肝脏代谢等。

还有一个因素，也是至关重要的，只有综合考虑多种不同器官对药物的反应才能更好的评估大多数药物的效果（积极的和消极的）。

人体芯片设计

并非所有的人体芯片都是相同的，用于构建整个系统的器官芯片存在许多不同的设计。每种设计都有自己的优点，医学研究人员使用的方法也不同。

一种分类方法是依据所使用的细胞和组织的类型。某些器官芯片只使用一种细胞类型（单一培养），由人工微结构或胶原蛋白层支撑。另一些则有多种细胞类型在球形结构或更复杂的3D结构中组合在一起。

另一种分类方法是依据液体在器官芯片之间转移的方式。器官芯片可以共享相同的液体环境，也可以通过设计、定制仿人体血液或淋巴系统的管道连接在一起。液体流动可以是连续的或由机器人传输控制。它们也可以通过多孔膜或细胞层（内皮）与营养物质和药物的循环液分离。

正如人们所想象的，设计的多样性创造了几乎无穷的可能组合。虽然该技术已经非常实用了，但这只是研究人员设计器官芯片和人体芯片的开始，他们仍在尝试寻找完美的人体复制品、可靠性和生产成本之间的最佳平衡。

器官芯片市场

器官芯片是一项新的技术，目前才刚刚成熟，可以走出实验室，进入药物开发阶段。2023年，器官芯片市场规模为1.03亿美元。

据估计，到2026年，器官芯片的市场规模将达到3.03亿美元，随着替代动物的试验方案的快速发展，预计2027年的市场规模将达到5.29亿美元。其它预测认为，到2032年，器官芯片的市场规模将增长到14亿美元，在8年内增长10倍以上。

人体芯片是最近才出现的，它将极大地受益于技术创新，以提高其性能和可靠性，并降低成本。

人体芯片应用

药代动力学

影响药物有效性和潜在毒性的一个关键特性是“药代动力学”。简单来说，就是药物在体内和各个器官、组织中扩散的速度。这很难在纸上或计算机模型上预测，因为这取决于肠道、血液和器官对特定化学物质的反应。

为此，需要尽可能“完整”的人体芯片，以尝试口服（经胃和肠道）、气雾剂（经肺）和静脉注射（经血液）等不同的给药方式。

个性化医疗

人体芯片的另一个巨大前景是个性化医疗的潜力。越来越多的研究人员和生物技术初创公司希望开发的药物不仅适用于“人类整体”，还要适用于细分类别（如性别、种族、年龄、基因等），甚至适用于个性化治疗。

由于人体芯片的高可复制性，无健康风险，且成本低廉，可以取代许多临床试验，以便在开发的早期阶段对药物进行微调。例如，当出现安全性问题时，人体芯片可以帮助识别替代备选药物，特别是当安全性问题只影响特定的部分人群时。

首先，人体芯片必须证明自身比现有的体外研究和动物研究更优越。然而，最终的目标将是准确地复制患者体内临床试验。

在更遥远的未来，人们可以想象，含有患者自身细胞的人体芯片可以用来提前预测该患者对各种药物的反应，并确定最佳治疗方法。

3D打印有助于制造人体芯片

真正的人体器官是复杂的3D结构，由不同的细胞和组织通过复杂的构造结合而成。

为了使构成整个人体芯片的器官芯片能够真切地模拟人体各器官的真实运行状态，需要在制造过程中创造出几乎与真实器官、组织完全相同的复制品。或者，在未来，甚至可能是完全成熟的器官。

得益于一种叫做“生物打印”的新兴技术，这才有可能实现。

生物打印使用了3D打印的关键原理：一个由计算机控制的喷嘴，将所需的材料一点一点地沉积在合适的位置。但这并不是沉积塑料或金属，而是沉积活细胞。

3D生物打印技术与器官芯片、人体芯片技术并行发展，最初更多地关注于解决细胞“打印”的技术难题。

目前，该行业仍然主要依靠人工支架为细胞打印提供框架。然而，在制造更接近人体器官的3D打印器官方面取得了长足进展。

因此，如果目前的器官芯片主要是重建形成器官组织的多层模板，那么将其与先进的生物打印技术相结合可以创造出更逼真的模拟器官和组织。

有关生物打印，可关注深入探讨了生物打印的题为 “Organs On Demand：Best 3D Bioprinting Stocks”和“New Technique Allows 3D Printing of Functional Brain Tissue”的两篇文章。

生物打印和人体芯片公司

1. BICO Group AB（简称“BICO”）

继2019年收购Cytena获取实验室自动化工具和2020年收购Scienion获取高精度微滴测量工具之后，Cellink于2021年更名为BICO。Cellink仍然是BICO生物打印部分业务的品牌名称。

虽然该领域并不只有Cellink一家，但它显然是一家非常先进的生物打印设备制造商，专注于为生物技术和生物医学领域的研究人员提供服务。

从长远来看，生物打印公司可能会从为研究人员提供工具发展成为为患者提供生物打印疗法的制药公司供应商。反过来，这将彻底改变使用中的生物打印机的数量，更重要的是，改变耗材的月销量。

其它生物实验室设备制造商也经历过同样的过程，如PacBio（PACB）公司和Illumina（ILMN）公司及其基因组测序仪，这两家公司80%的收入最终都来自耗材的日常销售。

2. Organovo

Organovo的专利技术使用3D打印人体组织来模拟真实人体组织的关键因素，包括组成、结构、功能和疾病等。

这被用来寻找具有治疗潜力的新分子。通过首先验证3D组织模型中的潜在分子，因为在对人体进行任何测试之前，有一个更现实的体外细胞模型，故该公司希望降低临床试验失败的风险。

Organovo的产品线专注于炎症性肠病（IFD）和肝纤维化，其中一个项目处于临床试验的2/3期，另一个项目处于第1期。预计2a期概念验证性（POC）结果将于2025年下半年公布。

2022年，美国有210万例溃疡性结肠炎患者，全球有1300万例，这是炎症性肠病的一种形式，预示着66亿美元的市场。该市场将保持6%的年复合增长率（CAGR），预计到2032年，达到120亿美元。

由于Organovo使用了肠道组织的真实模拟，具有极化上皮和间质层，因此极有可能在体外很好地展示他们的药物是如何对患者起作用的。

随着人体芯片技术变得更加成熟，Organovo使用3D打印人体组织的方法将更有可能预测药物开发中的早期潜在问题。

同时，相比于仍依赖传统方法的竞争对手，这将有助于Organovo加快药物的研发，以及更有效地利用资本。

延伸阅读：

《新药开发应用的人工智能（AI）技术及市场-2021版》

《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》

《3D电子和增材制造电子技术和市场-2024版》