3D打印的人體皮膚類似物有助于確定潛在的皰疹治療方法

魔猴君  科技前沿   5天前

據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計，單純皰疹病毒(HSV)影響了全球64%的人口。它是導(dǎo)致口腔和生殖器皰疹的元兇，可以是無癥狀的，但也會引起疼痛的爆發(fā)并增加感染艾滋病毒的可能性。雖然阿昔洛韋等抗病毒藥物可以治療癥狀，但不能消滅病毒。一旦感染，HSV就會遷移到神經(jīng)細胞，在那里復(fù)制并躲避治療和免疫系統(tǒng)。盡管人體通常能夠在幾周內(nèi)消除原發(fā)性感染，但病毒仍然會在侵入的神經(jīng)細胞中存活。如今，隨著3D打印技術(shù)的進步，針對HSV的新型治療方法不斷涌現(xiàn)。

目前的治療方法對潛伏性HSV無效，并且需要定期服用高劑量。此外，患者可能會對這些藥物產(chǎn)生抗藥性，這些藥物通常無法完全控制癥狀。正是考慮到這一點，弗雷德哈金森癌癥研究中心疫苗和傳染病科副教授朱嘉博士畢生致力于研究HSV和改進現(xiàn)有的治療方法。她在弗雷德哈金森癌癥研究中心發(fā)表的一篇文章中指出，開發(fā)更有效的療法的關(guān)鍵在于更好地了解當前的抗病毒藥物及其局限性。

皮膚層（圖片來源：朱實驗室）

抗病毒藥物的靶點是復(fù)制型HSV，主要存在于上皮細胞的基底層，即表皮的最內(nèi)層。這就是為什么皰疹病變和潰瘍經(jīng)常出現(xiàn)在口腔粘膜或生殖器皮膚等上皮組織上?！氨M管這是一個復(fù)雜的過程，涉及許多細胞類型，它們共同構(gòu)成表皮組織，”朱佳博士解釋說，“但目前針對HSV的抗病毒藥物是通過體外培養(yǎng)Vero細胞和成纖維細胞開發(fā)出來的。

源自非洲綠猴腎臟的Vero細胞是細胞生物學(xué)中最廣泛使用的哺乳動物細胞系之一，而成纖維細胞是結(jié)締組織中最常見的細胞。但這種藥物開發(fā)方法沒有考慮到體內(nèi)組織環(huán)境的復(fù)雜性?！耙虼耍@些抗病毒藥物在治療患者的HSV感染方面表現(xiàn)不佳也就不足為奇了，”朱博士補充道。

美國國家轉(zhuǎn)化科學(xué)促進中心朱實驗室的Ian Hayman和Ferrer實驗室的Tori Ellison專門研究3D打印生物制造，他們進行了一項研究，設(shè)計了3D生物打印的“人體皮膚等效物”。這些模型以針對抗病毒篩選和臨床前測試優(yōu)化的形式忠實地再現(xiàn)了人體皮膚的結(jié)構(gòu)。

人體皮膚替代物是如何制成的？

據(jù)弗雷德哈金森癌癥研究中心稱，朱教授的實驗室利用3D打印技術(shù)制作了人體皮膚替代物。為此，研究人員將成纖維細胞放入專門設(shè)計的培養(yǎng)容器中，然后添加一層角質(zhì)形成細胞，再將所有細胞放入不同的培養(yǎng)基中孵育。這一過程使得生成忠實模仿人類皮膚的小類器官成為可能，其中真皮組織主要由成纖維細胞和由角質(zhì)形成細胞形成的分層表皮組織層組成。

這并不是第一次用3D打印技術(shù)打印類皮膚材料。2024年3月，賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究人員成功打印了第一個完整的多層生命系統(tǒng)。其他團隊已經(jīng)打印出了薄層皮膚，但朱實驗室開發(fā)的皮膚是專門為改善HSV治療而設(shè)計的。

3D打印過程（圖片來源：Zhu Lab）

該實驗室開發(fā)了兩種類型的類器官來研究HSV：一種模擬初始感染，另一種模擬病毒潛伏宿主的激增。為了模擬原發(fā)性感染，將模型浸入含有HSV的培養(yǎng)基中。

使用3D打印皮膚進行藥物測試

朱的實驗室承擔了一項艱巨的任務(wù)，篩選了738種化合物以評估它們對抗實驗性HSV感染的有效性。這些化合物包括新藥和已獲FDA批準的治療方法。為了觀察治療效果，研究小組使用了表達綠色熒光蛋白的重組HSV以及用紅色熒光蛋白標記的成纖維細胞。利用熒光顯微鏡，他們能夠監(jiān)測藥物的影響：消除HSV綠色信號的藥物被認為是有效的，而降低成纖維細胞紅色信號的藥物會影響宿主組織并且不會被保留。

所獲得的結(jié)果讓研究人員感到驚訝。他們發(fā)現(xiàn)了近20種抗病毒化合物，能夠有效抑制HSV感染，同時對宿主細胞的毒性極小。此外，他們還觀察到新型抗病毒藥物以及現(xiàn)有抗病毒藥物（如阿昔洛韋）對HSV的有效性存在明顯的細胞類型差異?！拔覀冏畛跏褂冒⑽袈屙f作為陽性對照來測試新的抗病毒候選藥物，但我們震驚地發(fā)現(xiàn)，它在浸沒模型（其中HSV主要感染角質(zhì)形成細胞）中的有效性至少比在ALI模型（其中HSV主要針對成纖維細胞）中的有效性低十倍，”Hayman解釋說。

進一步的分析表明，有效抑制角質(zhì)形成細胞中的HSV所需的阿昔洛韋劑量超過了接受治療的患者血清中觀察到的最大濃度。朱博士指出：“由于角質(zhì)形成細胞是HSV在患者體內(nèi)復(fù)制的主要皮膚細胞類型，阿昔洛韋對這些細胞中的病毒效果不佳，這可以解釋為什么其在治療HSV發(fā)作方面的有效性有時有限！”?

（圖片來源：朱實驗室）

藥物開發(fā)

朱實驗室團隊計劃繼續(xù)研究最有希望的抗病毒候選藥物，并打印人體皮膚模型，以研究這些治療方法的有效性如何因患者特定的細胞類型而異。Hayman和Zhu總結(jié)道：“我們對利用患者來源的細胞以3D方式構(gòu)建下一代皮膚類器官的前景感到特別興奮。這種方法使我們能夠?qū)⒚课换颊叩纳飳W(xué)特性整合到藥物研發(fā)過程中，并確保我們投入時間和資源的治療在所應(yīng)用的細胞環(huán)境中真正有效。

3D生物預(yù)處理皮膚平臺通過從藥物試驗開始就整合預(yù)先存在的基因變異，在該項目中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。這種方法更接近真實的生理條件，使得識別有希望的抗病毒藥物以開發(fā)針對HSV的治療方法成為可能，從而凸顯了3D打印的優(yōu)勢。

編譯整理：3dnatives