科幻照进现实:生物3D打印技术与市场概览

 

提取一些细胞,用一台神奇的机器就能“制造”出肝脏、肾脏甚至心脏?损坏的皮肤、肌肉组织可以完整地修复甚至替换?...





提取一些细胞,用一台神奇的机器就能“制造”出肝脏、肾脏甚至心脏?损坏的皮肤、肌肉组织可以完整地修复甚至替换?这些曾经在科幻小说里都略觉虚幻的科技如今已经开始逐渐出现在现实中——这种神奇的机器就是3D生物打印机。3D生物打印机使用生物材料,在其中复合细胞、生长因子等活性成分,逐层构建活体组织,通过电脑建模程序来设计需要打印的器官剖面图,终极目标就是“生产”出可用的人体器官。第一台3D生物打印机的原型机已在2009年底由Organovo公司制造出来,2010年被《时代周刊》评为2010年50项最佳发明之一。

生物3D打印过程如下图所示,研究者在供打印的液态材料中复合从骨髓、脂肪等组织中提取出的干细胞,或不同的活性因子,通过打印头将液体按照一定图案打印在接收平台上。打印头每打印过一层,就会提升一个层高的刻度,继而开始下一层图案的打印,从而逐渐实现人造组织的成型,类似于普通3D打印在工业应用中的模型制造。其中的细胞在生长因子的调控下,重新组合、分化,最终形成新的组织和器官。从理论上讲,3D生物打印机可以使用CT等扫描技术,得到患者身体的各个部位精确图像数据,并在随后的短时间内3D打印出相应的组织,由于这些结构来源于病人的身体扫描,因此打印后的植入物可以完全模拟原有器官,顺利地进行替换,从而减轻了植入过程对患者身体带来的负担。


3D生物打印过程
3D Bio-printing 市场概况

Grand View Research市场研究报告显示,2014年全球3D生物打印的市场规模为4.87亿美元,预计将在10年内增长到18.2亿美元。2015年众多的大学、科研机构,以及政府部门都开始加大对3D生物打印植入物、器官和再生组织方面的研究工作。而推动这一市场增长的主要因素,则主要包括慢性疾病如慢性肾脏疾病增多、平均寿命的延长以及器官捐赠者的数目有限等等。

几乎世界各地都在对3D生物打印进行研究。毫不意外,北美地区依靠其雄厚的技术积累在其中占据主导地位,拥有超过35%的市场份额和10%的年复合增长率。这主要还是得益于政府改进医疗基础设施的支持措施,以及大量的老年和长期病患人口的存在以及更高水平的可支配收入。同时,亚太地区也将见证增长,尤其是鉴于中国、印度等国家的经济发展快速提升,以及大量的人口基数带来的医疗压力。例如,中国每年需要肝脏移植的终末期肝病患者有一百万左右,其中只有三到四千人接受了移植手术;而每年需要透析的十二万例病人中只有二十分之一可以找到肾源。

3D Bio-printing应用领域

目前3D生物打印技术已经开始在某些领域开始应用,包括牙科、医疗、生物传感器、生物墨水、食品和动物产品的生物制造(比如生物打印可食用肉类)、化妆品/个人产品测试(比如,欧莱雅与Organovo合作开发3D打印皮肤组织以用于化妆品测试等)。

在上述应用领域里,最广泛的应用还是在医疗方面,预计到2022年将占据整个3D生物打印技术30%的市场份额。这些医疗应用中包括上面提到的器官移植、药物测试和组织再生等,也包括快速发展的3D打印医用药丸和生物药物(biodrugs)等。
1
药品研发

通常药品研发需要经过前期论证、新药制备、体外测试、动物试验、临床试验的漫长过程,即使在新药上市之后,仍然面临着由于各种问题导致的退市风险。新药研发周期漫长的原因之一,就是研发过程中只能对人类细胞进行二维的培养和模拟,基于这种细胞或组织进行的测试和评估自然准确性大打折扣。特别地,二维培养的细胞在聚集(coalescence)和增殖(proliferation)性质上与三维培养细胞表现迥异。


新药研发过程示意图 Source: IDTechEx
3D生物打印技术为药物开发更真实地模拟人类生物组织提供了重要支持。3D生物打印在实验室中就可“制造”出3维的人体组织,从而降低新药研发的复杂性,及时准确评估产品,避免更多损失,缩短产品上市时间。

用3D生物打印精确模拟组织细胞结构虽然暂时还难以实现。但是,目前利用3D生物打印得到的3D生物组织,比同样的2D生物组织可获得明显更长的存活时间,由此可进行更长时间的药物评估。

2

化妆品/消费品测试



早在2013年,欧盟立法禁止所有的个人消费产品进行动物测试;不仅如此,欧盟以外进行过动物测试的个人消费品禁止在欧盟进行零售。欧盟是化妆品行业最大的统一市场,因此相关领域的公司非常急迫地在寻找测试其产品安全性的新方法。比如2013年10月,全球最大的化妆品公司欧莱雅就与3D生物打印公司Organovo签署了协议,开展3D生物打印在化妆品尤其是护肤品安全领域的研究。

3

器官移植

3D生物打印的最终目标是打印出可靠的能够移植到人类体内的组织或器官。当前的研究主要关注在部分无血管组织(non-vascular tissue,厚度很薄不需要营养输送网络的组织)。这部分研究有望很快开展临床实验,并减少当前医学对于机械植入和人类供体的依赖。

远期来看,预计三十年内,临床医生将有能力利用3D生物打印制造含血管(vascular)组织或器官,例如肾脏和肝脏。3D生物打印“制造”器官比起人类捐献器官具有几个明显的优势:移植器官是通过病人自身细胞培养而来,减小了器官排异反应的概率,也可大量避免终生服用免疫移植剂;不需长时间地等候器官捐献者,不会因此延误病情。

尽管3D生物打印应用前景广泛,但也需要看到目前这一技术具有的局限性:

首先,各种实验动物如小白鼠等作为疾病模型,已经有相当成熟的研究体系支撑。目前还需要大量的科学研究证明3D生物打印器官用于药物研发的有效性,并建立起科学规范的使用体系。

其次,相较于单个器官实验,小白鼠试验可以观察药物对动物整体的影响。新药的动物实验一般不仅仅在于观察新药对特定组织器官的影响,还要衡量新药对动物整体的影响。在这一点上,3D生物打印器官有极大的局限性。

最后,3D生物打印组织器官成本较高。目前大部分3D生物打印成本高于10万美元,而且对运行的环境要求极其严苛,还需要高度专业化的人员操作机器。这极大的限制了生物 3D打印机的快速普及。

3D bio-printing相关公司及团队

目前参与3D生物打印市场的主要厂家包括:Organovo、Cyfuse Biomedical、BioBots、Luxexcel、TeVido、Aspect Biosystems、3Dynamics Systems、Stratasys、EnvisionTEC、SOLS System、Youbionic、Pexion Group、Oceanz 3D printing、Tiny3D、RegenHU、3D Bioprinting Solution、Cellink、Ourobotics、Advanced Solutions、GeSim、Bio3D、 n3Dbio等等。国内蓝光英诺、杭州捷诺飞(先临三维子公司)、迈普医学等是该领域的国内先行者,中国农业大学工程学院的周蕙兴教授,上海大学快速制造工程中心胡庆夕,中国科学院物理研究所—重庆大学生物3D打印联合研发团队(负责人刘雳宇),清华大学机械工程系千人计划”特聘教授孙伟课题组等也在开展生物3D打印的研究工作。

目前国内外的厂家大多与主要研究机构和大学密切合作,以进一步推进和完善其器官移植和再生技术。

目前3D生物打印公司的目标可以清晰的划分成三个阶段:用于临床前药物测试的组织和器官;取代药物临床前动物实验;实现人体器官移植。目前所有的3D生物打印公司,由于目前技术的不成熟,都处于发展的早期阶段,即打印出能够用于药物临床前测试的组织和器官。部分公司简介如下:

1

Organovo:3D打印的先行者

位于加利福尼亚州圣迭戈的Organovo创办于2007年,它是目前全球最大的3D打印公司。2010年Organovo率先实现了3D打印血管的商业化进程。2012年2月,Organovo上市,股票代码为ONVO。在上市之前,Organovo仅获得3轮共计2635万美元的融资。目前市值约3.3亿美元。

Organovo的主要业务是将3D打印的人体组织出售给制药公司,用于药物的研发和测试。Organovo的终极目标是打印出可以用于人体器官移植的活组织。

Organovo的3D打印肝脏组织exVive3D可以连续保持功能长达40天,目前已经开始售卖给药企开展药物测试。2015年4月,Organovo与默克和欧莱雅达成合作协议,利用Organovo的3D打印技术,打印皮肤和其他细胞。

今年一月份,Organovo又推出了子公司Samsara Sciences,主要销售用于科学研究的肝脏细胞。

2

Cyfuse Biomedical:基于微针阵列的3D生物打印

位于日本东京的3D生物打印公司Cyfuse Biomedical成立于2010年,Cyfuse开发出一款叫做Regenova的生物打印机。Regenova的核心技术是Kenzan,该技术使用的原料是由数以千计细胞组成的细胞团,细胞团被有序的摆放在微针阵列里,经过一段时间后,便形成一个特定的组织。

2015年3月机器人公司Cyberdyne与Cyfuse建立合作关系,以推进Cyfuse的3D打印事业发展。

Cyfuse已经获得1650万美元融资,目前Cyfuse可以打印的对象有:血管,消化系统和泌尿器官,软骨,管状组织,甚至是微型肝脏。Regenova的主要销售对象为高校等科研院所。

3

Aspect Biosystems:提升3D打印的速度

成立于2013年的Aspect Biosystems,是位于加拿大温哥华的一家3D打印公司,它开发了一种可以利用不同的细胞、生物材料和生长因子打印3D组织的实验室打印机。

Aspect Biosystems打印人体组织器官现阶段的目的同样是为药企服务,希望能够打印出供药企用于药物测试的组织和器官。终极目的也是希望能够打印出可以移植于人体的组织或者器官。

与其他3D生物打印公司不同的是,Aspect Biosystems的打印过程只需要一个针头,便可完成全套操作。Aspect认为这种创新可以大大缩短打印时间。

2015年7月获得Vancouver Angel的种子轮投资,不过Aspect Biosystems没有公开融资金额。

4

BioBots:消费级3D生物打印制造商

成立于2014年8月的BioBots位于宾夕法尼亚的费城。BioBots开发的是一种价格低廉的打印设备(约5000美元),还配有一种特殊的生物墨水。截止目前BioBots累计获得155万美元种子轮融资。

BioBots的3D打印采用的技术类似于喷墨打印机的硒鼓,可以打印具有层次结构的生物组织。在打印的过程中,新打印的组织会被一种不损伤细胞的蓝光固化。BioBots的3D打印机含有三种粉末,这些粉末与生长因子粉末和活细胞相混合。在蓝光的指引下,打印机将混合物注射到指定的位置。

当然,BioBots的发展历程也摆脱不了3D生物打印的固有模式。它同样是先将目光锁定在临床前药物监测上,终极目的才是器官移植。

目前BioBots的客户已经打印出了骨骼、肺、肝、心脏、大脑、皮肤和软骨组织。

5

TeVido Biodevices:关注乳腺癌的术后恢复

TeVido BioDevices成立于2011年3月,是一家位于得克萨斯州的3D打印公司,TeVido主要是通过3D打印皮肤和脂肪细胞,帮助做过乳腺切除术的乳腺癌患者完成乳头移植和乳房重建。相较于打印含肌肉的组织来说,这种3D生物打印要简单的多,即使打印的组织巨大也无需担心组织供血不足的问题。

6

蓝光英诺

四川蓝光英诺生物科技股份有限公司成立于2014年,为四川蓝光发展股份有限公司投资创立的生物科技企业,已完成国家863计划全球第一台3D生物血管打印机的研发。公司自主研发健康云平台、生物墨汁、3D生物打印机和打印后处理系统,搭建完善的3D生物打印技术平台。蓝光英诺首创的3D生物血管打印机可以打印出血管独有的中空结构、多层不同种类细胞。首席科学家是中组部首批千人计划国家特聘专家、美国毒理科学院院士康裕建教授。

7

杭州捷诺飞

杭州捷诺飞生物科技有限公司(Regenovo)成立于2013年1月,是一家专业提供生物医学领域3D打印技术综合解决方案的企业,致力于开发面向生物医学领域的3D打印设备、材料和软件,为再生医学、组织工程、药物开发和医疗辅具等生物医学领域提供技术解决方案。

公司业务主要包括:

  • 用于生命和材料科学研究的组织模型。


  • 为组织器官缺损患者提供治疗手段:仿照组织器官解剖结构,用细胞打印出具有功能的组织器官或用生物材料打印出组织修复支架,可替换或修复患者的病损组织和器官。


  • 为制药公司提供新的药物开发和制剂技术:打印具有功能的人体组织模型,用于药物体外筛选和毒性试验,弥合临床前试验和临床试验间的鸿沟;打印具有自由设计结构的药物控释支架。


  • 为医生提供个性化定制的医疗辅具:为医生设计和打印个性化的手术模拟、手术定位、整形辅助和康复治疗辅具。


8

迈普医学

成立于2008年9月,注册资本4321万元。公司已成功实现生物3D打印的硬脑(脊)膜—睿膜®/ReDura®的产业化,并获CE及CFDA注册证。除睿膜®外,该公司正在开发个性化颅颌面修复系统、女性盆底修复系统、无张力尿道悬吊带、疝修复片、人工皮肤、血管、韧带等十多种人体组织修复产品,并为开发更为复杂的人工组织和器官做好技术储备。

(本文由SITRI产业研究原创,转载请注明出处)


    关注 传感器与物联网


微信扫一扫关注公众号

0 个评论

要回复文章请先登录注册