3D打印在眼科血管性疾病的應(yīng)用進展

方健文，朱佩文，邵 毅

0引言

1892年Blanther提出用分層制作的方法來制作地形圖，被認為是3D打印技術(shù)的思想起源，但在隨后的數(shù)十年3D打印技術(shù)發(fā)展緩慢，直到20世紀50年代后，3D打印出現(xiàn)了井噴式發(fā)展，第一臺3D打印機在20世紀80年代中期問世，代表著3D打印技術(shù)的成熟。2012年美國將3D打印技術(shù)寫入發(fā)展工作計劃，推動了3D打印的研究熱潮，其技術(shù)在多個領(lǐng)域的發(fā)展日新月異，2012年也被認為是現(xiàn)代3D打印技術(shù)的元年。目前，醫(yī)學(xué)界正在迅速地接受這一新技術(shù)，并將其應(yīng)用于多種疾病的研究和治療。本文將對3D打印在眼科血管性疾病的應(yīng)用進展進行簡要綜述。

1 3D在眼科血管性疾病應(yīng)用的理論基礎(chǔ)

3D打印模型能夠提供觸覺反饋和組織學(xué)、病理學(xué)上具體的有形的信息，提供了醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信技術(shù)無法提供的需求[1]。3D打印以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)創(chuàng)建物理對象[2]，通過將塑料或金屬材料一層一層地堆積產(chǎn)生三維物體[3]。到目前為止，3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)取得了許多成果，包括3D打印假牙[4]、骨支架[5]、細胞[6]、血管[7]、皮膚[8]和耳朵[9]等。在眼科方面則有3D打印眼鏡[3]、角膜[10-11]、眼眶模型[12]、眼球模型[13]，甚至3D打印視網(wǎng)膜[14]等應(yīng)用。

3D數(shù)字圖像和軟件是3D打印的重要組成部分，其中最常用的影像來自傳統(tǒng)的電子計算機斷層掃描(computed tomography，CT)和磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)[15]。在臨床上實踐3D打印技術(shù)并不容易，需要使用不熟悉的軟件和打印技術(shù)，但是隨著醫(yī)學(xué)的快速發(fā)展，3D打印與醫(yī)學(xué)各個領(lǐng)域的融合將會加速其在臨床上的應(yīng)用發(fā)展。3D打印對于血管性疾病有獨特的優(yōu)勢[16]，以往的影像學(xué)檢查只能顯示血管的二維情況，就算是三維血管造影也只是在平面上展示三維的血管成像，而3D打印技術(shù)可以和影像檢查結(jié)合，將目標血管段在體外重塑，直觀地顯示出病變血管段的形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)，有助于臨床醫(yī)生更加形象地了解血管的解剖學(xué)變化，從而做出更準確的診斷。以肝膽外科為例，肝部分切除術(shù)的手術(shù)計劃依賴于對腫瘤與肝內(nèi)血管樹三維關(guān)系的精確理解，Yang等[17]進行了一項特別的實驗，他們選擇了4個預(yù)先切除的腫瘤，對每個腫瘤進行多探測器計算機斷層掃描，虛擬三維重建和3D打印，然后將45名住院醫(yī)生分為3組(多探測器計算機斷層掃描組、虛擬三維重建組和3D打印組)，利用3種不同的技術(shù)對腫瘤進行評估，然后給出手術(shù)建議并記錄評估時間。結(jié)果發(fā)現(xiàn)3D打印組醫(yī)生對腫瘤位置的理解和手術(shù)切除范圍建議均較其他組準確、迅速。對于眼科血管性疾病，3D打印同樣能夠提供具體可視化的血管系統(tǒng)，并幫助醫(yī)生制定和改進治療方案。視網(wǎng)膜和脈絡(luò)膜作為眼部的兩個血管系統(tǒng)，對正常眼功能起到重要作用。眼底血管病變是許多眼部疾病發(fā)生的原因，甚至?xí)?dǎo)致失明。糖尿病視網(wǎng)膜病變(diabetic retinopathy，DR)、中心性漿液性脈絡(luò)膜視網(wǎng)膜病變(central serous chorioretinopathy，CSC)和年齡相關(guān)性黃斑變性(age-related macular degeneration，ARMD)等疾病都存在血液循環(huán)和血管形態(tài)發(fā)生變化的情況[18]。通過3D打印可視化有助于診斷相關(guān)的眼科疾病。

目前，3D打印的應(yīng)用不僅僅局限于模型的制造，通過3D打印技術(shù)打印生物材料[19]以及活細胞、組織和器官的研究已經(jīng)成為研究熱點?；颊邔θ斯ぶ圃斓纳镄约毎?、組織和器官的需求并未得到很好的緩解，而3D打印有望在未來的發(fā)展中提供有效的幫助。

2 3D打印與視網(wǎng)膜血管性疾病

人眼視網(wǎng)膜是一種高度復(fù)雜的血管化組織，其包含的多種細胞彼此配合才能將視覺信號傳遞給大腦。未來某些疾病可以通過移植視網(wǎng)膜上特定的細胞進行治療，如ARMD患者移植視網(wǎng)膜色素上皮細胞[20]，部分患者甚至需要進行全視網(wǎng)膜移植。因此，3D打印視網(wǎng)膜模型、視網(wǎng)膜細胞和人工視網(wǎng)膜對視網(wǎng)膜疾病的研究、診斷和治療十分必要。

布魯赫氏薄膜(Bruch’s membrane)的改變被認為與ARMD的發(fā)生相關(guān)[21]。有研究通過3D打印技術(shù)成功地打印出一種由聚己內(nèi)酯(polycaprolactone，PCL)、人視網(wǎng)膜色素上皮細胞系和人視網(wǎng)膜母細胞瘤細胞系等組成的混合視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)[22]。PCL超薄膜被用來代表布魯赫氏薄膜，最終超薄膜上形成完整的細胞單層。可見3D打印技術(shù)在構(gòu)建細胞和組織結(jié)構(gòu)上具有很大的潛力。視網(wǎng)膜模型有助于ARMD的診斷和早期治療。這種視網(wǎng)膜等同物可用于研究視網(wǎng)膜相關(guān)疾病的發(fā)病機制、治療方案和藥物輸送，在視網(wǎng)膜相關(guān)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

噴墨打印是許多3D打印技術(shù)的基礎(chǔ)，該方法已經(jīng)成功地打印出多種哺乳動物的神經(jīng)細胞，并創(chuàng)造了細胞結(jié)構(gòu)[14]。噴墨打印技術(shù)可分為熱噴墨式和壓電式，兩種方式均能夠打印出活細胞，能夠替代神經(jīng)退行性疾病、腦或脊髓損傷導(dǎo)致退化和損傷的細胞，這種創(chuàng)造細胞的能力將會在再生醫(yī)學(xué)中得到有效的應(yīng)用。英國一項研究表明，成年大鼠的視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞和神經(jīng)膠質(zhì)細胞可以通過壓電式噴墨打印技術(shù)打印出來，并證實該打印技術(shù)不會對打印出的視網(wǎng)膜細胞的生存能力產(chǎn)生顯著的影響，打印出的神經(jīng)膠質(zhì)細胞也能夠保持生長特性，為開發(fā)用于再生醫(yī)學(xué)的打印移植物提供了可能性[23]。但是由于壓電式打印出來的視網(wǎng)膜細胞要么在培養(yǎng)液中沉積成單層，要么會沉積在打印出的神經(jīng)膠質(zhì)細胞上，該技術(shù)能否應(yīng)用到視網(wǎng)膜的打印中還有待觀察。美國一項研究通過模擬視網(wǎng)膜細胞組織，使用熱噴墨3D細胞打印技術(shù)在靜電紡絲支架表面將打印出來的視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞精確連接，并且能夠維持打印細胞的存活、正常電生理特性和軸突生長[24]。盡管如此，3D打印視網(wǎng)膜還是存在一定的困難，主要挑戰(zhàn)是能否進行高密度精確打印細胞從而獲得構(gòu)成功能性視網(wǎng)膜所需要的細胞數(shù)量。此外，對長期細胞存活的功能性組織來說，脈管系統(tǒng)是至關(guān)重要的，能否形成維持組織細胞生存的血管系統(tǒng)是3D打印技術(shù)在血管應(yīng)用中成熟的關(guān)鍵。到目前為止，構(gòu)建包含不同細胞類型和血管網(wǎng)絡(luò)的多層組織仍受到技術(shù)限制[14]，而提高生物打印的分辨率可以允許在設(shè)計的組織內(nèi)打印血管網(wǎng)絡(luò)[25]。

視網(wǎng)膜血管性疾病是以視網(wǎng)膜血管改變?yōu)橹饕憩F(xiàn)的一類疾病，包括DR、視網(wǎng)膜靜脈阻塞(retinal vein occlusion，RVO)和視網(wǎng)膜血管炎等。DR是糖尿病微血管并發(fā)癥，威脅著所有糖尿病患者，如未及時治療將導(dǎo)致視力下降或失明[26]。DR的主要表現(xiàn)有黃斑水腫、微血管瘤和視網(wǎng)膜出血等。RVO是成年人獲得性視網(wǎng)膜血管異常最常見的原因之一，也是視力下降的常見原因之一[27]。RVO根據(jù)阻塞位置分為視網(wǎng)膜中央靜脈阻塞(central retinal vein occlusion，CRVO)和視網(wǎng)膜分支靜脈阻塞(branch retinal vein occlusion，BRVO)。RVO的主要表現(xiàn)有視網(wǎng)膜水腫、出血等。視網(wǎng)膜血管炎可分為特發(fā)性或繼發(fā)于感染、腫瘤或全身炎癥性疾病，導(dǎo)致血管阻塞和視網(wǎng)膜缺血，最終會嚴重威脅視力[28]。

光學(xué)相干斷層掃描血管造影(optical coherence tomography angiography，OCTA)作為一種新型的、無創(chuàng)性的眼底血管造影技術(shù)，可以顯示出脈絡(luò)膜的3D結(jié)構(gòu)，并能檢測脈絡(luò)膜血流的變化[29]。通過觀察脈絡(luò)膜成像可以發(fā)現(xiàn)和診斷早期的脈絡(luò)膜血管疾病，并且有助于研究這些疾病的發(fā)病機制、治療和用藥效果[30]。與傳統(tǒng)的二維血管造影技術(shù)眼底熒光血管造影(fluorescence fundus angiography，F(xiàn)FA)和吲哚菁綠血管造影(indocyanine green angiography，ICGA)相比，OCTA提供了深度信息，而且無需注入熒光染料，避免了不良反應(yīng)發(fā)生的風(fēng)險[18]。隨著成像技術(shù)的進步和3D打印技術(shù)的發(fā)展，血管腫瘤及其并發(fā)癥的檢測、診斷和監(jiān)測都有了很大的改善。Maloca等[31]首次使用OCTA數(shù)據(jù)集進行視網(wǎng)膜血管的3D打印，該打印模型可用于深入研究視網(wǎng)膜血管的3D結(jié)構(gòu)和視網(wǎng)膜微循環(huán)中不同血管網(wǎng)絡(luò)的相互作用。OCTA已被證明可以保存各種視網(wǎng)膜疾病的3D結(jié)構(gòu)，包括DR、RVO和黃斑毛細血管擴張[32]。OCTA與3D打印的結(jié)合可能有助于改善視網(wǎng)膜血管疾病的診斷及評估，并可成為介入治療方案和藥物開發(fā)的平臺，為視網(wǎng)膜血管性疾病的研究提供了新的思路。

3 3D打印與脈絡(luò)膜血管性疾病

脈絡(luò)膜位于視網(wǎng)膜和鞏膜之間，具有十分豐富的脈管系統(tǒng)，對于視網(wǎng)膜色素上皮和外層視網(wǎng)膜的氧化和代謝活動至關(guān)重要[33]。目前，OCTA已被廣泛應(yīng)用于視網(wǎng)膜血管網(wǎng)絡(luò)的成像，然而更深層的脈絡(luò)膜成像更具有挑戰(zhàn)性[34]。近年提出的掃頻光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)(swept source OCT，SS-OCT)具備掃描速度提高及穿透深度加深的優(yōu)點，可通過密集的光柵掃描獲得3D的OCT數(shù)據(jù)集，較傳統(tǒng)OCT更為精準，經(jīng)相應(yīng)程序處理所得到的SS-OCT血管造影(SS-OCT angiography，SS-OCTA)成像系統(tǒng)可迅速對脈絡(luò)膜分層成像，并準確定位血管位置和深度[35]。通過SS-OCT進行可視化研究可以獲得脈絡(luò)膜血管和腫瘤的3D視圖，以及容積、體積數(shù)據(jù)[36]，表明SS-OCT可用于輔助檢查和監(jiān)測脈絡(luò)膜腫瘤病變。Maloca等[37]首次將通過SS-OCT收集的健康眼睛和患有脈絡(luò)膜色素瘤的眼睛數(shù)據(jù)用于對脈絡(luò)膜血管和腫瘤的3D打印中，最終獲得了數(shù)個3D打印的OCT模型，這些模型展現(xiàn)了脈絡(luò)膜血管的解剖結(jié)構(gòu)及其與脈絡(luò)膜腫瘤之間的相互作用。但是，由于目前的技術(shù)無法對某些細小血管進行成像，脈絡(luò)膜毛細血管層難以構(gòu)建。對患者3D脈絡(luò)膜模型的觀察研究有助于評估脈絡(luò)膜的滲透性或炎癥性疾病。

4其他

2015年，F(xiàn)urdová等[38]利用CT和MRI數(shù)據(jù)，通過3D打印技術(shù)制造出具有葡萄膜黑色素瘤的眼球模型，用于改良對脈絡(luò)膜黑色素瘤患者的立體定向放射治療。觀察具有腫瘤的眼球模型可以獲得腫瘤在眼內(nèi)的真實情況，消除在確定腫瘤邊界過程中的主觀影響，提高治療方案的精準度。

5展望

3D打印作為一種快速成型制造技術(shù)，具有能夠與不同學(xué)科交叉結(jié)合的優(yōu)點，目前正處于飛速發(fā)展、趨于成熟的階段。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，3D打印的應(yīng)用為醫(yī)學(xué)工作者提供了更多的選擇，如個性化治療、精準治療等。3D打印快捷、精準的特點符合臨床應(yīng)用的要求。與此同時，3D打印的缺點也十分明顯，在臨床上大范圍應(yīng)用還需要對其技術(shù)進行一定的改進和完善。隨著臨床治療需求的增加，未來適用于臨床輔助治療的3D打印材料會越來越多，制作成本也會越來越低。3D打印活的細胞、組織和器官還有許多進步空間和潛力，值得持續(xù)關(guān)注。3D打印在眼科的應(yīng)用同樣有著廣闊的前景，我們相信更加精準的3D打印眼球模型、更加真實的人工眼組織、更加精確的3D打印眼部血管系統(tǒng)等3D打印的應(yīng)用，都將推動眼科血管性疾病的研究進展，在臨床治療中發(fā)揮更加重要的作用。