到目前为止，Organovo已经展示了他们拥有3D打印肝脏和肾脏组织的能力。而要打印可供移植的肝脏单元，甚至整个器官，这需要怎样的洪荒之力？本期，让我们深入理解这个令人费解的世界。

图片：Organovo打印的组织

最先商用化的生物打印机包括envisionTEC的工业级3D Bioplotter。而新的初创企业，像BioBots和CELLINK这些入门级的生物打印机则只需要10,000美元左右。

图片：CELLINK的入门级生物打印机

Organovo成立于2009年，最先是发明了自己的生物3D打印机NovoGen MMX，这家公司在发明自己的打印机后就迅速的将商业模式从生物打印机转移到了组织打印服务，并与2013年推出了3D打印人体肝细胞组织单元。

这些肝组织打印是如何完成的呢？就拿Organovo的设备来说，一个注射器里面包括肝实质细胞（占70至百分之85的肝体积）。另一个注射器充满了非实质性的肝细胞（占肝脏体积的百分之6.5）。肝脏非实质细胞对于打印的成功起到了重要作用，肝脏非实质细胞参与了肝脏的大多数病理生理过程，还参加炎症、血液及免疫紊乱、休克、脓毒血症等病理过程，自身的数量、结构、功能等的变化影响着肝脏功能。

第二注射器先打印一个蜂巢状模具，然后由第一注射器填充肝实质细胞，最后的打印结果被放置到一个孵化器。在这里，肝细胞增殖成为20个细胞厚，测量下来约500微米。3D打印出来的多细胞的肝单元实际上具有主要的肝功能，如合成白蛋白、纤维蛋白原和转铁蛋白的能力，以及合成酶活性的胆固醇。

Organovo可以保持细胞存活40天，通过与制药企业罗氏公司的合作，罗氏在肝单元上进行其对乙酰氨基酚的毒性测试，从而Organovo顺利地将其肝单元商业化，并与2015年又取得了与默沙东的合作。

到2014年，在药物毒性测试的商业用途上，Organovo已经完全实现商业化，其ExVive肝组织单元已经批量供应给大型的制药公司。在大约45分钟内，Organovo就可以3D打印大约3mm直径和0.5mm厚的肝单元。

图片：Organovo的生物打印机

为研究者提供生物打印的人类肝单元来测试新药是具有社会价值的，它可能会使药物获得市场准入更迅速，因为这些药物可以从动物到人类的临床试验来更深入的了解其毒性和副作用。而另一方面，可以帮助避免有毒药物在已经公开上市后又被召回，因为这些药物在第一时间的人类肝脏单元测试中就可能不被通过。而Organovo在测试其生物打印的肝单元的移植的时候，发现移植的人工肝单元与自然肝脏组织融合得很成功。于是，Organovo将商业模式扩展到移植领域，并计划三到五年向FDA提交提交3D生物打印肝脏组织研究性新药（IND）的申请

除了肝单元的生物打印，Organovo还突破了3D打印肾脏单元-ExVive人类肾脏，能够有效地表现出肾脏的功能，ExVive人类肾脏组织近端管功能可以维持超过四个星期。这些肾脏单元可用于测试肾毒性。多家毒理学研究团队与Organovo进行了合作，其中有两家合作方名列全球最顶尖的25家制药公司之中。

当然，产生更复杂人工组织的最大障碍是如何维持其生命的能力，由多种类型的细胞组成的组织如何获得营养和氧气。为了实现这一目标，血管组织的打印是必要的。

许多研究人员试图解决泵送血液生物打印的问题，走得最远是哈佛威斯生物工程研究所的Jennifer Lewis教授带领的团队。目前，Lewis的团队能够制造一个嵌入式血管网厚的组织。在3D打印的硅胶模具中，她的团队打印了一个共聚物组成的网格：由明胶、人类血细胞和纤维蛋白原组成。血管网格相互连接。研究人员将血管内皮细胞注入血管，让这些细胞生长为血管内壁。打印血管的油墨属性非常特殊，它们在冷却之后将会融化，只留下由内皮细胞长成的人工血管壁。

哈佛大学的这项突破可以说是补齐了Organovo这类的生物3D打印公司一直以来所缺乏的一块短板，这些包含丰富血管的人工组织，如果将来被移植到人体，还能够让它们尽快与人体“连接”在一起，尽快在人体内存活下来。而由此以来，我们不仅仅可以有望获得肝脏和肾脏的“补丁”，更有可能在将来获得完整的3D打印人类器官。

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生物3D打印企业Organovo与罗氏制药公司合作开展了一项药物测试，测试结果表明，3D打印的肝脏组织可以被成功用于区分多种药物物质所产生的不同毒性水平。本期，3D科学谷将与谷友一起来了解一下罗氏和Organovo 合作进行的3D打印肝脏组织药物测试。

更持久的药物测试

每一种新药在进入医疗审批阶段之前都需要经过严格的药物试验，药物试验主要包括：二维细胞学试验、动物试验和临床试验。生物3D打印的三维人体组织也逐渐应用在药物试验中。相比二维细胞学试验，3D打印的三维人体组织能够存活更长时间，并复制出复杂的细胞间的相互作用和人体组织环境。将3D打印的三维组织用于药物测试将获得更可靠的结果，有助于降低临床试验阶段药物潜在的失败风险。

图片来源：3D科学谷

在罗氏制药和Organovo 开展的药物试验中，研发人员使用 3D打印的肝脏组织能够检测出曲伐沙星药物中引起肝损伤的物质，而使用以往的测试方式则无法测试出该物质的毒性。该药物曾因引起少量患者肝功能衰竭而被召回。

通过3D打印培养的肝组织测试曲伐沙星的组织学影响：
细胞粘附能力丢失；增加肝细胞坏死
图片来源：3ders.org

由病人来源的实质（肝细胞）和非实质（内皮细胞和肝形状细胞）细胞通过生物3D打印技而具有空间三维构像。具有空间三维构像的肝组织使得罗氏和Organovo 的研究人员能够识别不同肝细胞之间的细胞连接，包括：CD31阳性的内皮网络、肌间线蛋白阳性的平滑肌以及肌动蛋白阴性的肝形状细胞。测试结果表明，3D打印的肝脏组织能够保持新陈代谢相关的ATP 和白蛋白的水平，以及药物引起的细胞色素P450酶的活性超过4周时间，而2D 细胞学试验的则无法实现。

Organovo 生物3D打印技术开创了一种多类型肝脏细胞的三维体外模型，这种具有活性的模型可以在药物进入临床试验之前，较长时间的提供病理和生化数据。Organovo的首席科学家表示，由于3D打印肝脏组织所具有的持久性和可复制性，使3D打印组织可用于测量细胞类型的特异性反应、研究药物的毒性机制。

相关研究论文发表在PLOS One 杂志中，论文题目为：Bioprinted 3D primary liver tissues allow assessment of organ-level response to clinical drug induced toxicity in vitro.

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来源：3ders

UCSF医学院助理教授Edward Hsiao博士说：“科学家们以前研究如恶性骨肿瘤或异位骨化等骨骼疾病的时候，大部分停留在例如培养皿这样的二维的环境中进行。科学家们可以了解到很多细胞之间的相互作用，但是并不清楚在三维层面上是如何相互影响的。通过3D生物打印技术将无机支架与干细胞技术结合了起来，这将对于研究如何修复损坏的骨骼组织产生关键作用。

培养皿，来源：3ders

UCSF以医科和生物技术而闻名，设有牙医学院、医学院、护理学院、药学院和研究生院。UCSF的医学院在全美国排名五名以内。在《美国新闻与世界报道》的美国医院排名中，加州大学旧金山分校(旧金山)医学中心排在前10名之内。

Organovo，来源：3ders

而Organovo之前还与昆士兰大学的Uniquest公司协议开发3D打印肾组织，并且自推出商业化的exVive3D打印肝组织之后，还与制药公司开展3D肝脏组织的深入合作之外，并与欧莱雅合作皮肤组织测试工作。可以说，与科研机构和企业合作，深入到生物医疗领域的研发源头是Organovo在市场中获得独特竞争力的一大特点。

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合作中涉及的肝脏组织是由Organovo公司在2014年11月推出的 exVive3D TM 肝脏组织。该合作协议是2015年4月17日签署的，并于4月22日刚刚提交给美国证券交易委员会（SEC），预计这次合作将进一步扩大Organovo的研究能力。

自11月份推出exVive3D肝组织之后，Organovo公司已经宣布exVive3D全功能肾脏组织也将于明年面市。除了与制药公司开展3D肝脏组织的深入合作之外，不久前，Organovo还对外界公布了与欧莱雅美国合作，双发将展开在皮肤组织领域的合作。此外，其CEO Keith Murphy估计4-6年内，该公司将能够3D打印出人体器官补丁，以修复受损的器官。由此可以看出Organovo 正在深入耕耘多个细分领域。这或许也意味着Organovo 未来被默沙东或欧莱雅这样的行业巨头收购的可能。

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近日，Organovo宣布了与化妆品巨头欧莱雅（美国）的一项合作。Organovo会将NovoGen 生物打印机投入合作，而欧莱雅将会投入皮肤细胞技术。

合作关系将分为：开发、验证、商业化三个阶段，在每个阶段完成后，欧莱雅公司有权决定合作是否需要继续。

在前两个阶段，欧莱雅美国将预付启动资金。如果合作可以进展到最后一个阶段，双方将会生成包括惯例许可和使用化条款的商业化协议。对于部分敏感细节，Organovo公司希望申请商业秘密。

协议将保证欧莱雅对于双方研发的皮肤组织有排他性的权利。这些权利将在产品研发、测试、制造、评估和销售非处方的护肤产品及保健品领域有效。Organovo公司拥有将组织模型用于处方药物测试、毒性测试、组织移植测试的权利。

未来值得我们关注的是，此项合作是否可以顺利进行到最后一个阶段，以及合作结果将对双方产品可能产生的影响。

扩展阅读：Organovo公司发布用于医学研究和药物测试的3D打印肾脏组织

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早在去年11月份，Organovo就推出了其可商用的3D打印人体肝脏组织exVive3DTM，该组织可用于临床前的药物发现测试。而这次生物打印的人体肾脏组织也将被用在医药研发方面，改善了现有的测试模型。Organovo的3D打印肾组织可以在实验室条件下持续存活“至少两个星期。” 这类3D准确复制的全细胞模型将用于对药物毒性和疗效的测试和对疾病在活组织内部的活动进行建模。

“我们的生物打印人体肾脏组织对于当今占主流的单层细胞培养技术来说适宜个显著的进步。”Organovo公司首席技术官和研发执行副总裁Sharon Presnell博士称，“该初始原型的组织学和功能特点是非常有吸引力的，而且该系统的体外耐久性将可能用于对药物作用进行慢性的、生理学相关剂量的评估。此外，该系统的细胞复杂性可以支持对于药物反应的系统检验，其中包括原本很难或不可能在体外进行评估的终点，比如管状纤维化和伤后恢复等。”

Organovo当前公布的数据为初步数据，最终生物打印肾组织将会列入Organovo公司的exVive3D 组织系列产品中，目前可用的产品已有去年11月份公布的exVive3D肝组织。这两种组织都可以使用NovoGen——Organovo的专有平台——生物打印出来。Organovo预计商用版本的生物打印肾组织将会在2016年下半年正式发布。

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这将改变制药公司发现、开发、和测试新药，并推出市场的传统方式。客户跟Organovo通过商业合同来购买所需要的肝组织。用来预测药物对肝组织的毒性或药物代谢（ADME）结果。

“ADME”即“毒药物动力学”，指机体对外源化学物的吸收（absorption）、分布(distribution)、代谢(metabolism)及排泄(excretion)过程。

药动学研究所反映出的药物在动物或者人体内的动态变化规律，除了可作为药效学和毒理学研究的借鉴外，也是指导新药研究与开发，进行先导化合物的设计和筛选，以及申报临床研究或进一步申报生产所必须提交的重要资料。

对外源化学物ADME过程的研究有重要意义：
1、可能用来确定与毒性发生有关的靶器官或组织的暴露特征。
2、可能为在其他的毒性研究的剂量选择提供有用数据。
3、有助于阐明两种或两种以上外源化学物联合毒作用的机制。
4、可通过改变外源化学物ADME过程，以预防和治疗外源化学物中毒。

Organovo的exVive3D的3D打印人类肝组织包含了精确和可重复的生物结构。这个过程有点像喷墨打印机，将细胞排列进有20个细胞厚的组织中。exVive3D组织主要包括了初代人类肝细胞、星形肝细胞（正常情况下肝星状细胞处于静止状态。当肝脏受到炎症或机械刺激等损伤时，肝星状细胞被激活，其表型由静止型转变为激活型。激活的肝星状细胞一方面通过增生和分泌细胞外基质参与肝纤维化的形成和肝内结构的重建，另一方面通过细胞收缩使肝窦内压升高。）和内皮细胞（血管内皮细胞（EC）位于血液与血管组织之间，它不仅能完成血液和组织液的代谢交换，并且能合成和分泌多种生物活性物质，以保证血管正常的收缩和舒张，起到维持血管张力，调节血压以及凝血与抗凝平衡等特殊功能，进而保持血液的正常流动和血管的长期通畅。抗凝血材料表面内皮细胞化，可以减少血栓的形成和血小板激活。）等类型，这些都是天然人类肝组织的组成部分。该组织的功能性和稳定性可至少保留42天，以便于评估药物效果。远远超出了当下标准的2维肝细胞培养系统所能提供的持续时间。3D打印肝组织的的功能性和耐久性使得研究人员可以横跨生物化学、分子学和生物组织学对于低剂量或可重复剂量的给药方案进行评估。

Organovo声明，exVive3D组织成分包括白蛋白、纤维蛋白原和转铁蛋白、合成胆固醇，并能够诱导细胞色素P450酶的活动。 该exVive 3D已成功地用于在某个延长的时间点对于体外代谢产物的检测。重要的是，通过它的试验来收集生化和组织学数据，以便在多个级别观察化合物的反应。

另外，Organovo希望在不久的将来可以打印出用于活体组织一直的人类肝脏组织。

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目前，Organovo与昆士兰大学的Uniquest公司签署协议开发肾脏的3D打印技术。昆士兰大学的教授Melissa Little去年和她的团队在实验室利用干细胞技术培养出一个非常小的肾脏，不过没有使用3D打印技术。这次研究团队准备使用3D生物打印技术将其复制出来。昆士兰政府为这个项目提供100万美元的支持。

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