3D列印出世界首例人工眼角膜
最近，來自英國紐卡斯爾大學（Newcastle University）組織工程學Prof. Che Connon 團隊宣布，他們成功製作出了第一塊利用3D生物列印技術列印的人類眼角膜。這意味著世界眼角膜稀缺的巨大難題有望得到緩解。
為什麼角膜如此稀缺？
眼角膜(Cornea)是眼睛最前部的凸形高度透明物質，覆蓋虹膜、瞳孔及前房，並為眼睛提供大部分屈光力。作為人眼的最外層組織，眼角膜的主要作用是聚焦視線，如果把眼睛比喻為相機，眼角膜就是相機的鏡頭。沒有一個好的鏡頭是無法觀察我們周圍美麗的世界。
就像輕輕的磕碰可能會導致相機鏡頭破碎，作為暴露於體外的一個透明薄膜，眼角膜十分脆弱，極易發生損傷。鈍性物體、高壓液體或氣體衝擊作用都會引起眼角膜的嚴重物理損傷。根據世界衛生組織報告，世界上有超過1000萬人的眼盲是由角膜病引起，為導致眼盲的第二大原因，僅次於白內障，而其中80%可以通過角膜移植手術脫盲。（Whitcher et al., 2001）我國角膜病致盲患者約400萬人。由於我國角膜供體資源匱乏，角膜移植總量少，每年僅有約5000名患者得到有效治療。
條件嚴苛導致角膜捐獻難度變高
眼角膜的資源極其短缺，多數靠人體捐贈；2015年著名歌手姚貝娜去世後捐獻了她的眼角膜，她的眼角膜先後幫助三位眼疾患者重見光明。目前角膜移植材料主要來源活體捐贈與屍體捐贈，角膜必須完好無損才能作為合格的供體。角膜材料的提取一般情況下在死後6小時以內、冬季在死後12小時以內摘取才有價值，角膜上皮完整、基質透明、厚度不變者(無水腫)為佳，如果將新鮮角膜材料經保存液或深低溫特殊處理，則可保持數天或數周后待用。如此嚴苛的條件下，實際上可供移植的眼角膜嚴重短缺，根本無法滿足如此世界患者龐大的需求量。
3D列印解燃眉之急
但是幸運的是，為了保持透明，角膜並沒有血管，不需要考慮目前3D生物列印供血的難題，僅透過淚液及房水(aqueous humor )獲取養份及氧氣。眼角膜的構成相對其他人體器官較為簡單，並且90% 的部分由眼角膜基質組成，眼角膜成為了一個理想的3D生物列印目標。
Prof. Che Connon團隊將健康人士捐贈眼角膜基質細胞（Corneal Keratocytes）與藻酸鹽、膠原蛋白混合，製造出一種能用於3D列印的「生物墨水」，隨後使用一台Cellink公司的INKREDIBLE bioprinter ，將生物墨水成功列印，通過掃描病人眼部，針對個體，定製眼角膜的形狀，在準備好的生物支架上（圖一白色支架）上進行生物墨水放置列印， 整個列印過程不足10分鐘。雖然還無法達到臨床級別的應用，但是其生物活性和人體兼容性已經十分的高。
Prof. Che Connon團隊利用了擠壓式生物列印技術（Extrusion Based Bio-printing）採用了氣動式（Pneumatic）的原理的3D印表機器，以海藻酸鈉（Sodium alginate）和由甲基丙烯酸鹽化的膠原質（Methacrylated type I collagen）為生物列印墨水（bioink）。通過沙氏攝像機（Scheimpflug camera）捕捉病人眼角膜的3D形狀，並通過三維建模將眼角膜的數據導入3D列印系統中，列印支撐結構（Scaffold），將藍染色過後的bioink注入模型形成眼角膜形狀的結構。之後通過FRESH method 將角膜模型從scaffold中取出，注入眼角膜基質細胞進行培養。
註：Che Connon 團隊採用了3%的sodium alginate比例使得角膜結構在從支架中取出時仍能保持結構穩定性, 從而進行後期角膜培養
在成功列印出人類眼角膜之後，紐卡斯爾大學的團隊還對眼角膜的生物活性進行了測試。從下圖給出的細胞染色結果來看，他們發現眼角膜基質細胞的存活率在列印成型之後第一天有>90%的活性，在七天後仍舊有83%的活性。
結語：
雖然第一例人類眼角膜列印就取得如此喜人的成果，未來對於人類眼角膜列印技術仍舊有許多需要發展的地方。其中一點即是：如何將列印出的人類眼角膜嵌入眼組織中，雖然眼角膜已經能成功列印，它所使用的生物列印材料還無法形成精細的細胞外基質結構（ECM）嵌入其他眼組織。另一點是由於生物墨水由用擠壓式列印（EBB）生物列印技術列印，其精確度（resolution）並沒有達到十分理想的級別。
從病人提取眼角膜幹細胞並且通過3D掃描人眼進行個性化角膜的列印移植是技術上可行的，但是最理想治療方式是通過3D生物列印角膜幫助患者進行長期的角膜重塑。3D列印眼角膜技術的興起不僅給全球患者帶來了光明的希望，同時也為3D生物列印行業注入了新的活力與動力。
作者: 陳之源 孔嘉源
感謝Cytotech成員的這學期的努力！感謝phD學長學姐們的支持和幫助！
參考文獻：
- 3D bioprinting of a corneal stroma equivalent Che J. Connon et al 2018 Experimental Eye Research Volume 173, August 2018, Pages 188-193
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