Frontier Bio通过3D打印支持实验室内血管生长技术的创新应用

2023年10月25日，南极熊获悉，基于生物技术的最新发展，初创公司Frontier Bio推出实验室生产活体人体血管的方法，可能重塑血管医疗器械动物测试格局。

△生物反应器内的组织工程血管

Frontier Bio与梅奥诊所合作，在实验室制造的血管中成功测试了一种改变血流方向的装置。利用3D打印，该公司能够复制复杂的血管结构，模拟自然和疾病相关条件。尽管Frontier Bio的生物技术融合展示了遥远未来的前景，可能减少器官移植需求，但其在血栓清除工具开发方面具有直接的潜力。

哈佛大学和麻省理工学院的著名遗传学家、Frontier Bio顾问George Church表示，Frontier Bio正在为不再需要器官捐献者的未来铺平道路，动物测试也将成为过去。

研发技术背景

迄今为止，动物研究一直是评估血管医疗器械的安全性和性能的关键，但随着人类文明的进步，这种方法备受争议。例如，球囊血管成形术设备旨在扩大阻塞或狭窄的血管，通常需要在动物身上进行测试，以确保它们能够安全有效地打开血管，而不会造成不必要的伤害。同样，人造血管移植物（用于绕过阻塞的人工血管）也需要在动物体内研究，以了解它们与天然血管的融合程度以及它们是否能够抵抗血栓形成。Frontier Bio的新方法可能改变这一模式，旨在减少或消除对动物模型评估这些设备的依赖。

Frontier Bio的新技术使用组织工程的方法在实验室中培育这些血管。它们通过将特定类型的细胞植入最终会自行降解的支架材料来实现这一目标。借助模拟人体内生理条件的环境和3D打印技术，该技术能够制造各种形状的血管，包括模仿天然血管结构的血管，甚至模拟某些疾病状态下的血管。

Frontier Bio与梅奥诊所的合作已经展示了他们创新技术的实际应用。作为概念验证，该初创公司创建了一个带有动脉瘤的组织工程血管，并在其中部署了血流分流器设备。这种设备通常用于医学领域，用于引导血流绕开动脉瘤，以最大程度地降低破裂的风险。在使用该装置进行测试时，实验室培养的血管显示出与传统的动物研究相似的结果。

但是，我们何时可以期望将完全摆脱动物测试，转向使用这些实验室培育的血管？Frontier Bio的血管组织工程新负责人Sam Pashneh-Tala博士表示：“实现这一转变需要数年时间，甚至可能需要超过十年，这将是一个渐进的过程。”

△Sam Pashneh-Tala担任Frontier Bio血管组织工程新任主管

Pashneh-Tala表示：“势头正在增强。随着最近FDA现代化法案2.0的出台，动物替代品在开发医疗器械和药物方面的障碍正变得越来越少。FDA的新兴医疗设备开发工具 (MDDT) 计划提供了评估新测试平台的途径。如果它们的性能可以接受，设备开发人员可以使用它们来代替动物模型。Frontier Bio参与该计划来开发我们的组织工程血管(TEBV)。”

然而，挑战依然存在。首先，证明这些TEBV与已建立的动物模型具有相同的性能是一个重大障碍。因此，建立这些数据需要时间。

除了伦理影响之外，Frontier Bio方法的主要优势之一是成本。正如Pashneh-Tala指出的那样：“与大型动物模型相比，TEBV可能更便宜、更可靠。”

这位组织工程专家表示，他们对利用其TEBV开发血栓切除装置非常感兴趣，特别是评估急性血管损伤。血栓切除装置被插入血管并用于去除血凝块。在开发时，必须对这些血管内装置进行测试，看看它们在插入、展开和移除时是否会对血管壁造成伤害。这种急性血管损伤测试通常在猪身上进行，既昂贵又浪费，单次测试成本在1到2万美元之间。相反，TEBV可以以较低的成本提供所需的血管损伤数据，并且无需牺牲动物。

△动脉瘤形状的支架（左）由微观纤维（右）制成，并接种细胞以形成组织工程血管

更深远的研究作用

Frontier Bio还在开发TEBV作为血管移植物，用于植入患者体内以治疗损伤或疾病。这些将具有天然血管的寿命和弹性。

此外，该公司采用创新的方法使用3D打印技术来模拟复杂的血管结构。他们使用静电纺丝的方法制造聚合物支架，然后使用3D打印来创建特殊的模具，这些模具可以帮助塑造复杂的血管结构，甚至可以在需要时重新构建特定患者的动脉瘤。简而言之，他们使用3D打印技术来模拟和重建复杂的血管结构，这对医疗应用非常有潜力。

这些模具引导编织在一起的极其细小的纤维形成网状支架。一旦形成，这个支架就会充满细胞，然后在模拟人类条件的实验室环境中培育细胞，使它们生长成血管。此外，他们还利用3D打印技术制作特殊的生物反应器室，以在实验室中培养TEBV。Pashneh-Tala表示，这些部件是使用SLA 3D打印技术，从可高压灭菌且具有生物相容性的材料中生产出来的，使研究人员能够在实验室中有效地消毒和使用这些部件。

△全球已有109家成熟的生物打印公司和许多企业家对这一新兴领域表现出兴趣，它成为最受追捧的技术之一

Pashneh-Tala说道：“3D打印使我们能够设计各种形状的生物反应器室，以适应任何容器的几何形状。如果需要，这些甚至可以适应患者特定的血管设计。未来，我们还有兴趣使用3D生物打印技术来生成TEBV。生物打印使我们能够以受控方式沉积细胞或细胞聚集体，从而构建3D结构。这为更广泛的生物工程领域提供了潜力。”

Pashneh-Tala对于未来展望非常乐观，他认为公司的发展方向不仅仅局限于血管。神经组织和肺组织可能需要比血管更多的不同细胞类型，这意味着在创建这些组织时面临的挑战和技术将有所不同。

他相信，工程组织将对体外空间产生重大影响，这将包括用于测试医疗设备的组织工程血管（TEBV）和用于药物开发的器官芯片技术等应用。他指出，临床上的工程组织一直是一个艰巨的挑战，在过去的30年里，只有少数解决方案进入人体试验阶段。然而，他对未来仍然持乐观态度，并预计这些技术在未来十年将变得更加普遍。