3D打印技術(shù)在腎臟醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用及展望

張珂 王倩 孫逸飛 李林倩 張海松 高燕

1河北大學(xué)附屬醫(yī)院醫(yī)學(xué)3D 影像打印中心，河北省普通外科數(shù)字醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（河北保定071000）；2河北大學(xué)附屬醫(yī)院腎病內(nèi)科二病區(qū)，河北省慢性腎臟病骨骼代謝生理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（河北保定071000）；3河北大學(xué)醫(yī)學(xué)院（河北保定071000）

3D 打印（three-dimensional printing，3DP）技術(shù)起源于1986年，20 世紀(jì)90年代擴(kuò)展到建筑和制造業(yè)，近年來在航空航天［1］、實(shí)驗(yàn)研究［2］、醫(yī)療［3］等領(lǐng)域的地位也越來越不可小覷。醫(yī)學(xué)3DP技術(shù)是將包括計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）［4］、磁共振成像（MR）［5］、甚至超聲［6］在內(nèi)的醫(yī)學(xué)影像轉(zhuǎn)換為實(shí)體模型的過程，也被稱為增材制造（additive manufacturing，AM）或快速原型制造（rapid prototyping，RP）。它以逐層連續(xù)疊加的方式通過多種技術(shù)從立體平版印刷（stereolithography，STL）文件中制造成三維立體物體。3DP 可以根據(jù)技術(shù)類型、使用材料進(jìn)行分類。技術(shù)類型分類包括立體光刻（stereolithography apparatus，SLA）、多噴?。╩ulti-jet printing，MJP）、PolyJet 打?。≒olyJet printing）、數(shù)字光處理（digital light processing，DLP）、選擇性激光燒結(jié)（selective laser sintering，SLS）、直接金屬激光燒結(jié)（direct metal laser sintering，DMLS）、彩色噴?。╟olor-jet printing，CJP 或binderjet）、熔融沉積成型（fused deposition modeling，F(xiàn)DM）、分層實(shí)體制造（laminated object manufacturing，LOM）和電子束熔融（electron beam melting，EBM）。材料分類包括熱塑性高分子材料、金屬、陶瓷、光聚合物、紙、箔、塑料薄膜、生物材料等。3DP 在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用可分為4 個(gè)方面。首先對于術(shù)前模型，只需直觀顯示病灶解剖結(jié)構(gòu)及其與周圍毗鄰關(guān)系，對材料生物性能要求不高，一般采用SLA、FDM，例如肝癌3D模型［7］、腎臟腫瘤3D 模型［8］、骨折3D 模型［9-10］；個(gè)性化體內(nèi)植入物不僅要求材料具有生物相容性，而且要求打印結(jié)構(gòu)具有一定機(jī)械性能，通常采用SLS、DMLS，例如骨組織支架［11］、個(gè)性化椎體假體［12］；組織工程支架需要打印材料具有良好的生物相容性和生物降解性，可采用FDM 和3D 生物打印，例如血管支架［13］；而對于細(xì)胞結(jié)構(gòu)或者類組織器官則要求支架與細(xì)胞同時(shí)打印，對操作環(huán)境要求較高，則采用3D 生物打印，例如軟骨組織樣結(jié)構(gòu)［14］、組織單元［15］。本文就3DP 技術(shù)在腎臟醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行以下概述。

1 3DP 技術(shù)在臨床工作中的應(yīng)用

隨著各學(xué)科不斷交叉融合，3DP 技術(shù)逐漸進(jìn)入醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用于臨床工作。3D 打印高保真模型應(yīng)用于醫(yī)患溝通、術(shù)前規(guī)劃和模擬外科手術(shù)，對胸外科和心臟外科［16］、骨科［17-18］等專業(yè)具有高度的實(shí)用價(jià)值，同時(shí)廣泛應(yīng)用于腎臟領(lǐng)域的臨床工作，但是3D 打印在多囊腎臟疾病的應(yīng)用報(bào)道較少。

1.1 在臨床醫(yī)患溝通中的應(yīng)用在傳統(tǒng)臨床工作中，一般運(yùn)用CT、MRI 等二維影像資料與患者進(jìn)行病情交流，對患者理解病情、疾病診治及手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、并發(fā)癥等存在很大局限性。在當(dāng)今復(fù)雜的醫(yī)療環(huán)境中，若不進(jìn)行有效醫(yī)患溝通易引發(fā)不必要的醫(yī)患糾紛。BERNHARD 等［19］打印7 例腎臟腫瘤模型，向患者告知病情及相關(guān)治療方案，患者對腎臟基本生理功能、解剖、腫瘤特征及術(shù)前計(jì)劃的認(rèn)識(shí)均有提高，在術(shù)前計(jì)劃認(rèn)識(shí)方面提高尤為顯著。SCHMIT 等［20］打印1 例腎臟腫瘤模型，向需行腎臟冷凍消融術(shù)的25 例患者進(jìn)行術(shù)前病情交流，患者對自身疾病及手術(shù)認(rèn)識(shí)無明顯改善，兩項(xiàng)研究結(jié)果中醫(yī)患溝通滿意度均明顯改善。若將腎臟模型制作成具有患者個(gè)體特異性、透明多彩的實(shí)體物體，清晰顯示腎臟內(nèi)部血管解剖結(jié)構(gòu)與腫瘤、實(shí)質(zhì)的毗鄰關(guān)系，可能會(huì)明顯改善患者對自身疾病及其手術(shù)的認(rèn)識(shí)（圖1-3）。BERNHARD 等研究應(yīng)用具備個(gè)體特異性、透明多彩的腎臟模型進(jìn)行醫(yī)患溝通，彌補(bǔ)SCHMIT 等研究的不足，有效改善患者對疾病及診治的認(rèn)識(shí)，若模型重建過程中進(jìn)一步精確分割腎臟血管及其分級(jí)，可進(jìn)一步提高患者對手術(shù)方案及并發(fā)癥的理解，更進(jìn)一步促進(jìn)有效醫(yī)患溝通的進(jìn)行，促進(jìn)構(gòu)建良好的醫(yī)療環(huán)境。3D打印多囊腎臟模型可提高患者對就診過程中的滿意度。

圖1 多囊腎臟CT 與MRI 圖像Fig.1 CT and MRI images of polycystic kidney

圖2 三維可視化多囊腎臟模型圖Fig.2 Three-dimensional visualized polycystic kidney model diagram

圖3 3D 打印多囊腎臟模型Fig.3 3D printed polycystic kidney model

1.2 在腎臟術(shù)前規(guī)劃和手術(shù)模擬中的應(yīng)用在傳統(tǒng)的外科手術(shù)工作中，外科醫(yī)師一般依據(jù)患者的CT、MRI 等影像資料結(jié)合自身臨床經(jīng)驗(yàn)對患者進(jìn)行術(shù)前評估及制定手術(shù)方案，因患者存在個(gè)體差異，且醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)不同，評估可能出現(xiàn)偏差，在患者疾病診治過程中可能會(huì)出現(xiàn)誤差。面對復(fù)雜手術(shù)，外科醫(yī)師進(jìn)行有效的術(shù)前計(jì)劃和手術(shù)模擬訓(xùn)練可以有效提高手術(shù)操作的準(zhǔn)確性、縮短手術(shù)所需時(shí)間、減少并發(fā)癥的發(fā)生。隨著3DP 技術(shù)不斷發(fā)展，醫(yī)學(xué)3DP 技術(shù)可制作出具有患者個(gè)體特異性、復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)、直觀立體的3D 模型，為外科醫(yī)師進(jìn)行有效術(shù)前規(guī)劃和模擬手術(shù)提供了訓(xùn)練工具。有研究［21］使用3D 打印透明腎臟實(shí)體腫瘤模型聯(lián)合三維重建進(jìn)行有效術(shù)前規(guī)劃，正確評估殘余腎功能，成功切除病灶，最大程度的保存腎單位，改善患者預(yù)后。嬰兒內(nèi)臟器官及血管解剖結(jié)構(gòu)與成人間存在明顯差異，且可操作空間相對有限，在手術(shù)過程中可能損傷腹腔動(dòng)靜脈血管主干，影響手術(shù)質(zhì)量。若在三維重建過程中，利用3D 打印技術(shù)增加腹腔動(dòng)靜脈主干血管，可能會(huì)減少手術(shù)過程中主干血管損傷發(fā)生率，降低手術(shù)并發(fā)癥的發(fā)生率。CHANDAK 等［22］利用打印出3D 硬質(zhì)腎臟模型進(jìn)行復(fù)雜的患兒腎移植術(shù)前規(guī)劃，患兒術(shù)后腎功能良好，但制作的3D 腎臟模型精確度高，但其可操作性差，不能進(jìn)行手術(shù)模擬。GOLAB 等［23］3D 打印出腎臟和腫瘤的鑄造模具，制造出與人體腎臟物理性質(zhì)相似的硅膠樹脂軟質(zhì)模型進(jìn)行手術(shù)模擬訓(xùn)練，明顯縮短手術(shù)時(shí)間、改善手術(shù)質(zhì)量。與CHANDAK 等制作模型相比，GOLAB 等制作的3D模型可操作性良好，可以進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃及手術(shù)模擬，但未能精確清晰顯示腎臟動(dòng)靜脈血管與病灶毗鄰關(guān)系。CHANDAK 等與GOLAB 等研究中各有優(yōu)點(diǎn)，也存在不足，互相彌補(bǔ)，制作出精確、透明、特異性、可操作性的腎臟模型，更加符合當(dāng)前精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的需求。清楚了解血管結(jié)構(gòu)、腫瘤定位及病理結(jié)構(gòu)是手術(shù)成功的關(guān)鍵。GLYBOCHKO 等［24］開發(fā)的3D 打印透明模型不僅清晰展示出集合系統(tǒng)、腎靜脈、動(dòng)脈和腫瘤，而且模型的質(zhì)地與真實(shí)腎臟類似。GLYBOCHKO 等的模型同時(shí)實(shí)現(xiàn)了腫瘤的病理解剖結(jié)構(gòu)可視化、術(shù)前規(guī)劃以及手術(shù)模擬，指導(dǎo)手術(shù)，明顯改善手術(shù)質(zhì)量。MACCHI 等［25］進(jìn)行了3D 打印鑄型腎臟血管分段與真實(shí)血管鑄型比較研究，證實(shí)了解剖學(xué)家、放射學(xué)家、外科醫(yī)師對GRAVES 傳統(tǒng)腎臟血管分段［26］認(rèn)同和質(zhì)疑，肯定腎臟血管分段存在變異。這項(xiàng)研究證明了3D 打印模型能充分顯示患者個(gè)體化特性。針對胡桃夾綜合征的治療，張波等［27］首創(chuàng)了個(gè)性化3D打印鈦合金外支架腹腔鏡微創(chuàng)技術(shù)，給受壓的靜脈穿上“保護(hù)套”，在臨床上取得了相對滿意的治療效果。鈦合金具有一定生物組織相容性，但長期使用有發(fā)生磨損傷及血管的可能，自身重量偏大，長期懸吊于體內(nèi)可能會(huì)產(chǎn)生移位可能發(fā)生一系列相關(guān)并發(fā)癥。若將新型具有耐磨損、自潤性、良好機(jī)械性能的生物材料3D 打印制作取代鈦合金支架，可減少并發(fā)癥的發(fā)生。

3D 打印模型應(yīng)用臨床工作十分必要。它不僅可以有效改善醫(yī)患溝通的滿意度，而且能夠通過術(shù)前規(guī)劃及模擬手術(shù)提高操作準(zhǔn)確性、縮短手術(shù)時(shí)間、降低并發(fā)癥的發(fā)生率。3D 打印模型不僅可有效地展示正常和個(gè)體特異性病理結(jié)構(gòu)，同時(shí)通過特殊打印制作方法可使模型具備透明、彈性可切割、血流動(dòng)力學(xué)等滿足特殊臨床工作需要的特性。這種模型未來很可能會(huì)成為一種獨(dú)特的工具應(yīng)用于臨床工作。

2 3DP 技術(shù)在藥物研究中的應(yīng)用

醫(yī)學(xué)3DP 技術(shù)雖然應(yīng)用于藥物研發(fā)及腎毒性藥物篩選過程起步時(shí)間較短，但其技術(shù)優(yōu)勢和應(yīng)用潛力很可能會(huì)對這一領(lǐng)域的發(fā)展起到巨大的推動(dòng)作用。3DP 技術(shù)在研發(fā)給藥系統(tǒng)方面廣泛應(yīng)用［28］，例如控釋藥物［29］、緩釋藥物［30］等，其應(yīng)用在于改變藥物釋放方式、劑型等，以求應(yīng)用最小藥物劑量達(dá)到有效血藥濃度，減少藥物的全身毒副反應(yīng)。環(huán)孢素（cyclosporin A，CsA）為免疫抑制劑的一種。SONG 等［31］成功打印出裝載CsA 多聚體微球凝膠并具有3D 打印抗壓框架的藥物載體，有效抑制動(dòng)物體內(nèi)免疫排異反應(yīng)4 周。實(shí)現(xiàn)了局部、持續(xù)且有效的用藥目的，不僅能有效治療原發(fā)病，同時(shí)可減少藥物用量。該項(xiàng)研究目前僅限于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，并且打印過程中藥物輔料選擇受限制［32］，如何有效控制藥物釋放以及藥物釋放時(shí)間等一系列問題仍待進(jìn)一步研究。腎小球相關(guān)疾病的發(fā)病機(jī)制與機(jī)體異常免疫反應(yīng)密切相關(guān)。目前糖皮質(zhì)激素及免疫抑制劑是主要的藥物治療，但是其副作用較多，因此減少藥物用量、減低血藥濃度顯得尤為重要。盡管將3D 打印裝載多聚體藥物應(yīng)用于腎臟疾病治療仍有許多問題需要解決，但3D 打印技術(shù)有望在腎臟藥物研發(fā)方向帶來一次藥物應(yīng)用的革命。

藥物研發(fā)需要耗費(fèi)大量資金［33］、時(shí)間，通常在臨床試驗(yàn)第三階段［34］發(fā)現(xiàn)候選藥物的腎毒性。由于藥物的暴露以及藥物的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝，腎臟易受藥物毒性的影響，嚴(yán)重情況下可能發(fā)生急性腎損傷和慢性腎臟病，最終發(fā)展為慢性腎功能衰竭［35］。因此，臨床試驗(yàn)階段及時(shí)準(zhǔn)確識(shí)別腎毒性藥物，不僅可以節(jié)省大量的研發(fā)時(shí)間和成本，更重要的是保護(hù)臨床用藥患者的腎功能。陳朝紅等［36］利用3D 打印出兼容微孔板和平皿的斑馬魚定向工具，高通量定位觀察斑馬魚水腫率和蛋白尿表型，有效判斷腎毒性藥物對斑馬魚腎小球?yàn)V過率的損傷程度，快速有效地進(jìn)行腎毒性藥物篩選。傳統(tǒng)斑馬魚定向工具的制作，耗時(shí)長、成本高、需要使用專用設(shè)備；而3D 打印模具具備高通量篩查的優(yōu)勢，同時(shí)開發(fā)和制作成本低廉，生產(chǎn)周期快，適于實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用。本研究是3DP 技術(shù)促進(jìn)科研技術(shù)發(fā)展的典型示范。

傳統(tǒng)腎臟芯片［37］是在體外通過具有單層腎近端小管上皮細(xì)胞微流控體系的二維模型研究藥物對腎臟細(xì)胞功能影響的一項(xiàng)技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)只能研究藥物對腎臟近端小管細(xì)胞的影響，其研究體系缺乏正常腎臟組織三維結(jié)構(gòu)的生理學(xué)特點(diǎn)，不能全面反映人體的生理微環(huán)境，對于藥物篩選、毒性試驗(yàn)等研究結(jié)果缺乏客觀性［38-39］。早期三維體外灌注模型［40］需要高度專業(yè)化的制造技術(shù)，限制了其常規(guī)應(yīng)用。腎臟細(xì)胞芯片技術(shù)與亞毫米級(jí)3DP 技術(shù)相結(jié)合，在三維空間上擴(kuò)展了腎功能芯片系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，使其與正常人體生理腎臟功能更加接近，更加有利于準(zhǔn)確及時(shí)發(fā)現(xiàn)腎臟損害藥物。HOMAN 等［41］通過3D 生物打印、3D 細(xì)胞培養(yǎng)聯(lián)合器官芯片制作技術(shù)，再現(xiàn)近似人體近端腎小管細(xì)胞的體內(nèi)表型和功能的微環(huán)境。將這類應(yīng)用3D 技術(shù)制作的腎臟芯片應(yīng)用于藥物臨床前試驗(yàn)階段，可提高腎臟損害藥物篩選率和預(yù)測能力，并減少動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，有效的降低新藥和更安全藥物開發(fā)的成本，極大地促進(jìn)新藥物開發(fā)。目前該項(xiàng)研究僅限于芯片技術(shù)，但已經(jīng)為腎臟組織結(jié)構(gòu)的生物3DP 開辟了一條新的途徑。

3 3D生物打印技術(shù)在腎臟組織再生中的應(yīng)用

隨著打印材料的不斷創(chuàng)新，生物相容性材料、細(xì)胞和支持成分與3DP 技術(shù)有機(jī)結(jié)合，產(chǎn)生的一項(xiàng)新興技術(shù)，稱為3D 生物打印技術(shù)［42-43］。它是將充滿細(xì)胞的生物墨水從數(shù)字模型加工成組織結(jié)構(gòu)和器官的過程，包括仿生、自主自組裝和微型組織構(gòu)建塊，利用生物材料、生物化學(xué)物質(zhì)和活細(xì)胞的逐層精確定位，空間控制，制造出具有高度復(fù)雜的組織微環(huán)境、組織結(jié)構(gòu)、細(xì)胞功能、組織特異性成分以及機(jī)械異質(zhì)性的多細(xì)胞組織。該技術(shù)具有自動(dòng)化、精度高、幾何自由和可控制性、廣泛材料印刷適應(yīng)性、重現(xiàn)性和可重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn)，將在疾病建模［44］、器官芯片［45］、藥物發(fā)現(xiàn)和測試［46］、高通量篩選［47］和再生醫(yī)學(xué)［48］等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景。

3D 生物打印技術(shù)在功能組織構(gòu)建中有著廣泛的應(yīng)用，包括多層皮膚［49］、骨［50］、血管移植物［51］、氣管［52］、心肌組織［53］和軟骨結(jié)構(gòu)［54］等，可以替代損傷或病變組織，以滿足對適合移植組織和器官的需求。器官移植是目前治療終末期腎衰竭（end stage renal disease，ESRD）的最佳治療方案，但現(xiàn)有腎臟供應(yīng)數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足日益增長的ESRD 人群需求。Organovo 公司利用3D 生物打印技術(shù)制作出世界上第一個(gè)全細(xì)胞腎組織。KING 等［56］利用3D 生物打印技術(shù)制作出三維近端小管組織的體外模型，為腎臟再生以及腎臟器官移植開辟了曙光。腎臟器官的3D 生物打印是一項(xiàng)旨在研發(fā)打印出具有腎臟功能器官的新技術(shù)［57］，隨著3D 打印技術(shù)的發(fā)展，該項(xiàng)新興技術(shù)與特定生物材料、組織再生工程等有機(jī)結(jié)合，有望打印出具有正常生理功能的腎臟器官，改善目前腎臟器官供不應(yīng)求的現(xiàn)狀，改善生活質(zhì)量。

4 展望及其局限性

目前，利用3D 打印出全彩、透明、立體、直觀的腎臟實(shí)體模型應(yīng)用于臨床工作，有效提高工作效率，改善醫(yī)患溝通，但是現(xiàn)有的研究結(jié)果表明，打印的腎臟模型仍欠缺生理腎臟器官的質(zhì)感以及血流動(dòng)力學(xué)特性，不能有效傳達(dá)人體器官真實(shí)感。文獻(xiàn)中報(bào)道了載有免疫抑制劑的3D 打印藥物載體有可能實(shí)現(xiàn)靶向、局部、持續(xù)穩(wěn)定釋放藥物治療腎臟疾病，減少藥物的全身毒副反應(yīng)，但在藥物載體靶向性及釋放可控性等方面仍存在許多問題有待解決。利用3D 生物打印技術(shù)制作出具有類似或者正常的生物功能腎臟，可以彌補(bǔ)腎臟移植領(lǐng)域中腎臟器官數(shù)量的不足，減少異體腎臟移植的相關(guān)并發(fā)癥，給予終末期腎臟病患者重生的希望，減輕患者家庭及醫(yī)療費(fèi)用，是一項(xiàng)非常具有發(fā)展?jié)摿Φ难芯款I(lǐng)域。但是由于腎臟復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和細(xì)胞外基質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，利用3D 打印生理腎臟器官的研究具有很大的挑戰(zhàn)性，涉及組織工程、生物材料學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、物理學(xué)和醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)等多個(gè)研究學(xué)科領(lǐng)域，未來這些技術(shù)的交叉融合，必將會(huì)推動(dòng)醫(yī)學(xué)發(fā)生前所未有的革新。