3D 바이오프린팅을 이용한 질병 모델링 동향
2019-02-19
org.kosen.entty.User@2fdbc5af
장현준(hjang)
1. 개요
3차원(3 dimensional, 3D) 바이오프린팅은 3D 프린팅 기술과 생명공학이 융합된 개념으로 살아있는 세포를 원하는 형상으로 쌓아 올림으로써 인공적인 조직 및 장기를 제작하는 기술을 말한다. 이를 통해 손상된 생체조직을 대체하거나 생체 내에서 하기 힘든 실험을 생체와 유사한 조건으로 생체 외부에서 진행 할 수 있게 해준다. 기본적인 인쇄 방식은 작은 크기의 방울을 분사하여 인쇄하는 잉크젯(inkjet) 방식, 재료를 공압(pneumatic pressure)이나 피스톤(piston)으로 밀어내는 압출(extrusion) 방식, 빛에 의해 경화되는 감광성 수지에 광원을 조사하는 광 조형 방식이 있다. 3D 바이오프린팅은 이처럼 기존의 3D 프린팅과 비슷한 인쇄방식을 가지고 있으나 살아있는 세포를 인쇄하기 위해 생체적합성을 지니는 고분자 등을 바이오 잉크로 사용한다는 차이점을 가진다. 본 보고서에서는 3D 바이오프린팅을 위한 인쇄방식에 대해 알아보고 이를 응용한 질병 모델링 연구 동향을 정리하였다.
2. 3D 바이오프린팅 기술
3D 바이오프린팅은 CT나 MRI 영상을 통해 복잡한 생채 조직을 재현(reconstruction) 하고 CAD 등의 디지털 디자인을 통해 정확한 구조를 만들어 낸다. 3D 프린터의 제작능력과 소재의 요구조건은 프린터의 인쇄방식에 따라 달라진다. 또한 어떠한 세포들을 사용하느냐에 따라 조직 모델링의 응용에 많은 영향을 주게 된다.
2.1. 잉크젯 방식
잉크젯 방식은 80년대 후방에 처음 적용된 기술로 가장 기본적인 바이오프린팅 방식이다. 잉크젯 방식에는 수 마이크로초 동안 300℃까지 국소적인 열을 가하여 공기를 팽창시켜 잉크를 사출하는 열(thermal) 방식과 압전 작동기(piezoelectric actuator)를 이용하여 펄스 압력(pulse pressure)를 만들어 사출하는 압전 방식, 영구적인 자석기반의 배열과 로렌츠 힘(Lorentz force)을 이용한 전자지장(electromagnetic) 방식이 있다. 세포 생존률(viability)과 비용 등의 이유로 열 방식이 많이 이용된다. 잉크젯 방식은 70 ~ 90 % 의 세포 생존률을 보이며 광범위한 속도(1~10,000 Hz)로 운용이 가능하다. 뿐만 아니라 낮은 인쇄 비용과 해부학적인 해상도(1~300 picoliter/droplet, 20μm)를 가지며 high-throughput 적용이 가능하며 상용화 되어 있다는 장점을 가진다. 반면에 높은 세포 농도와 높은 점성의 바이오잉크를 사용하기 때문에 노즐이 막히는 문제가 발생하며 droplet의 부피가 일정하지 않게 인쇄 될 수 있으며 해상도에 제한이 있다는 단점을 가지고 있다.
2.2. 압출 방식
압출 방식은 잉크젯 방식과 달리 컴퓨터에 의한 자동화된 로보틱 시스템을 이용하여 바이오잉크를 연속적인 가는 실 형태로 사출한다. 압출은 피스톤이나 스크류를 이용하여 직접적으로 사출하는 기계적인 방법과 가스압력을 이용하는 간접적인 압축공기(pneumatic) 방법이 있다. 압출방식은 압출하는 힘에 의해서 전단 변형력(shear stress)을 받기 때문에 세포 생존률이 떨어지게 된다. 이외에 바이오프린트된 구조의 낮은 해상도와 세포간 상호작용과 세포와 기질간의 상호작용 조절의 한계, high-throughput 적용에 한계가 있다는 단점을 가지고 있다. 그럼에도 구조적으로 통합되고 기계적으로 좋은 구조를 인쇄할 수 있으며 경제적으로도 가장 효율적이며 쉽게 구입 할 수 있다는 장점을 가지고 있어 상업적으로 가장 많이 사용되고 있다.
2.3. 광 조형 방식
광 조형 방식은 인쇄 후의 높은 세포 생존률과 우수한 인쇄 속도와 해상도를 가짐으로써 최근 10년동안 인기를 얻고 있는 바이오프린팅 방식이다. 빛을 이용한 바이오프린팅에는 기계적 성질, 화학적 조성, 세포 및 물질 분포를 비롯하여 인쇄 된 구조물의 다양한 매개 변수를 조절할 수 있는 여러가지 방식들이 존재한다. 그 중에서 DLP (digital light processing) 기반 바이오프린팅과 2 광자 중합 (TPP, two-photon polymerization) 기반 바이오프린팅이 조직 공학에서 주로 사용이 된다. 빛을 이용한 바이오프린팅에는 기계적 성질, 화학적 조성, 세포 및 물질 분포를 비롯하여 인쇄 된 구조물의 다양한 매개 변수를 조절할 수 있는 여러가지 방식들이 존재한다. 그 중에서 DLP (digital light processing) 기반 바이오프린팅과 2 광자 중합 (TPP, two-photon polymerization) 기반 바이오프린팅이 조직 공학에서 주로 사용이 된다.
DLP 기반 바이오 프린팅은 컴퓨터로 제어되는 디지털 마이크로 미러 장치 (DMD, digital micro-mirror device) 칩과 전동 전사 스테이지, 전동 인쇄 헤드를 사용한다. DMD 칩은 약 20,000 개의 마이크로 미러로 구성되어 있으며, 각 마이크로 미러는 인쇄 프로세스 전반에 걸쳐 독립적으로 켜고 끌 수 있으므로 정확한 광 프로젝션 패터닝을 가능하게 한다. 마이크로 미러가 켜져 있을 때 UV 혹은 다른 광원의 조명이 pre-polymer 솔루션에 투사되어 polymer를 이룸으로써 인쇄가 이루어진다. DLP 기반 프린터의 해상도는 각 마이크로 미러의 광 초첨의 크기에 의해 정해지며 마이크로 수준의 해상도를 가지게 된다. DLP 기반의 프린팅은 한번에 패턴의 전체면이 pre-polymer에 조사되어 만들어지기 때문에 다른 방식 (점과 점, 혹은 선과 선)과 달리 인위적인 인터페이스가 없으며 구조의 기계적 무결성(mechanical integrity)이 좋아진다. 또한 기존 방식보다 인쇄 속도가 빠르며 유연한 패턴을 만들 수 있다.
TPP 기반의 바이오프린팅은 래스터 (raster) 레이저를 이용하여 반복적, 선택적으로 광 감성 단량체 (photo-sensitive monomers)를 중합시키는 레이저 기반의 광조형 기술이다. TPP 인쇄는 분자에 의한 2개의 광자의 흡수 확률이 빛의 세기의 제곱에 비례한다는 두 광자 흡수 현상을 이용한 것이다. TPP 기반의 바이오프린팅은 1μm3 이하의 voxel을 가지며 100nm의 해상도로 인쇄를 할 수 있다. 하지만 인쇄할 수 있는 구조의 크기와 속도에 한계가 있다는 단점이 있다. 인쇄 속도는 200–1600 mm/s, 정도로 압출방식 보다는 빠르나 잉크젯과는 비슷한 정도이다. type I collagen, bovine serum albumin, laminin, streptavidin, PEG-based hydrogels등의 여러 가지 폴리머가 이 방식으로 성공적으로 인쇄가 되었다.
3. 질병 모델링
3D 바이오프린팅은 hanging drop과 같은 다른 생물공학 기법과 비교하여 조직을 설계할 때 여러 세포 유형들을 보다 정확하게 배치 할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 또한 여러 세포 유형을 쌓을 수 있다는 것은 공동배양과 혈관 형성 가능성을 고려한 3D 구조물을 제작 할 수 있게 하며 복잡한 공간적 위치를 잡아 줌으로써 여러 소재를 처리 할 수 있는 융통성을 제공하고 세포와 기질간의 상호작용을 증대시켜 세포의 생존 가능성을 높이게 된다. 이러한 장점을 기반으로 3D 바이오프린팅은 약물 스크리닝과 징별모델 응용을 위해 간과 혈관, 근육과 같은 여러 장기를 모사하고 암과 같은 모델을 만드는데 적용이 되고 있다.
3.1. 간 모델
3D 바이오프린팅 기술은 약물, 포도당 및 지질의 신진 대사를 안정적으로 유지하는 간 조직을 제조하는데 사용되었다. 바이오프린팅 된 간 조직은 수 주(weeks) 동안 간의 약물 전달체와 대사효소의 발현을 나타내었다. cAMP와 PKA 신화에 의한 포도당 합성이 이루어졌으며 이는 인슐린 투여에 의해 억제 되었다. 담즙산 분비 또한 바이오프린팅 된 간 조직에서 동양혈관(sinusoid)-간세포-담즙관 경로를 통해 관찰되었다. 약물 개발에서 심장 독성과 간 독성은 개발 후기 단계의 주요한 실패요인으로서 3D 바이오프린팅을 이용한 간 모델은 약물 전달 모델과 약물에 의한 간 손상을 확인하기 위한 획기적인 플랫폼을 제공하며 trovofloxacin과 levofloxacin의 독성 연구가 실제 이 플랫폼에 적용 되었다. 간세포와 비실질(non-parenchymal)세포가 바이오프린팅 되었고 성숙한 간으로 형성 되었음이 CD31의 발현과 간세포간의 결합 등을 통해 확인 되었다. Trovofloxacin의 간 독성은 표준 전임상 모델에서는 발견되지 않았고 levofloxacin은 trovofloxacin의 독성이없는 구조적 유사체였다. Trovofloxacin은 바이오프린팅 된 간에서 임상 적으로 적절한 용량 (≤ 4 μM)에서 유의 한 용량 의존 독성을 유발하였다. 또한, trovofloxacin의 독성이 lipopolysaccharide 자극이나 상주 대 식세포의 존재 없이 관찰 되었기 때문에 이전의 연구와 대조적이었다. 따라서 바이오프린팅 된 간 조직이 간 섬유화를 유도하는 화합물을 효과적으로 모델링 할 수 있을 뿐만 아니라 특유의 독성 프로파일과 관련하여 관련 화합물을 구별 할 수 있다는 것이 최종적으로 입증되다.
3.2. 근육 모델
근육 조직은 다양한 종류의 세포 유형 및 수축력을 나타내는 상이한 기계적 성질을 포함하는 매우 복잡한 구조를 갖는다. 다양한 바이오프린팅법이 근육의 복잡한 해부학적 특성을 보다 비슷하게 모방하기 위해 개발되었다. 설치류 세포인 C2C12세포를 Alginate/Pluronic 바이오잉크와 혼합하여 압출방식을 이용하여 in vitro에서 근육 구조물을 만들었다. 이는 80% 이상의 세포 생존률을 보였으며 MyoD, Myogenin 등을 발현함으로써 근육세포로 분화가 되었음을 확인 할 수 잇었다. 이러한 3D 구조는 수축력 측정에 기초한 약물 테스트에 사용되었다.
3.2. 내장 모델
인간의 장은 약물 흡수를 위한 매우 중요한 장기이며 효율적인 약물 흡수를 위하여 물리 화학적 성질의 관점에서 새로운 화학 물질의 초기 스크리닝에서 장 흡수가 강조 되었다. Organovo 3D NovoGen 바이오프린터를 이용하여 인간의 장 유래 근섬유 아세포의 상피 세포를 포함하는 시험 관내 장 조직 모델이 제작되었다. 이 모델은 tight junctions을 가지는 분극된 원주 상피(polarized columnar epithelium )와 cytochromes P450 (CYP450)을 발현하는 특이적인 세포를 가진 것으로 확인 되었다. 이 모델은 생리적으로 확인되는 장벽의 기능을 가지고 있으며 P-glycoprotein (P-gp) 와 breast cancer resistance protein (BCRP) transporters를 발현하는 것으로 확인이 되었다. 독성 평가는 항염증제인 indomethacin의 도움으로 이루어으며 장벽 기능은 상피 전기 저항 (TEER)에 의해 평가되었다. 이러한 결과를 종합하면, 이 내장 모델은 크론병 및 염증성 장 질환과 같은 질병 모델링에 사용될 수 있으며 생물 약제/독성 연구에 관한 전임상 연구를 위한 초기 실험에 사용 될 수 있음을 증명하였다.
3.3. 암 모델
종양 미세 환경은 종양에 대한 다양한 약물의 작용을 통제하는 데 중요한 역할을하는 것으로 잘 알려져 있다. 3D 바이오프린팅은 2D 모델과 비교하여 생물학적 유사성이 증가 된 종양 모델 제작에 대한 가능성을 보여주었다. 이것은 신경 교종 줄기 세포-함유 알긴산 염 / 젤라틴 / 피브리노겐 바이오잉크를 사용하여 제조 된 신경 교종 모델에서 입증되었다. 이 모델은 2D 배양 모델에 비해 약물 테모졸로이드(temozolomide)에 대한 내성이 증가함을 보여주었다. 또한, 3D 생체 인쇄 구조물은 저산소 코어 (hypoxic core) 및 생체 내 조건과 유사한 괴사(necrosis)를 보여 주었다. 광학 프로젝션 프린팅 시스템은 몇 가지 주요 다능성 마커의 발현을 나타내는 iPSC의 배아 체를 생성하는 데 유용하다는 것이 입증되었다. 또 다른 연구에서, MRC-5 섬유 아세포 및 인간 난소 암 (OVCAR-5) 세포가 MatrigelTM에 압출방식으로 인쇄 되었으며 조절된 구조 패턴과 함께 high-throughput하며 재현성 있는 다세포 구조를 형성하였다. 그 결과 1일차에 100–500 μm2 크기의 다세포의 소핵이 형성되었으며 15일차에 세포가 분열하고 소핵의 융합이 일어나면서 더욱 불균질한(heterogeneous) 형태를 이루게 되었다. 전반적인 소핵의 크기는 in vivo에서 얻어지는 것과 유사했으며 소핵의 크기는 droplet의 크기와 세포 수를 통해 조절할 수 있었다. Hela와 10T1/2 세포를 poly(ethyleneglycol diacrylate)(PEGDA) 바이오잉크에 넣어 광 조형방식으로 인쇄함으로써 암세포 이동에 대한 모델을 얻을 수 있었다. 이를 통해 폭이 25-120 ㎛ 범위 인 채널을 포함하는 모델이 제조되었고, HeLa 세포가 채널의 직경에 따라 다른 이동 범위를 보이는 반면 섬유 아세포의 이동은 영향을 받지 않음이 관찰되었다.
3차원(3 dimensional, 3D) 바이오프린팅은 3D 프린팅 기술과 생명공학이 융합된 개념으로 살아있는 세포를 원하는 형상으로 쌓아 올림으로써 인공적인 조직 및 장기를 제작하는 기술을 말한다. 이를 통해 손상된 생체조직을 대체하거나 생체 내에서 하기 힘든 실험을 생체와 유사한 조건으로 생체 외부에서 진행 할 수 있게 해준다. 기본적인 인쇄 방식은 작은 크기의 방울을 분사하여 인쇄하는 잉크젯(inkjet) 방식, 재료를 공압(pneumatic pressure)이나 피스톤(piston)으로 밀어내는 압출(extrusion) 방식, 빛에 의해 경화되는 감광성 수지에 광원을 조사하는 광 조형 방식이 있다. 3D 바이오프린팅은 이처럼 기존의 3D 프린팅과 비슷한 인쇄방식을 가지고 있으나 살아있는 세포를 인쇄하기 위해 생체적합성을 지니는 고분자 등을 바이오 잉크로 사용한다는 차이점을 가진다. 본 보고서에서는 3D 바이오프린팅을 위한 인쇄방식에 대해 알아보고 이를 응용한 질병 모델링 연구 동향을 정리하였다.
2. 3D 바이오프린팅 기술
3D 바이오프린팅은 CT나 MRI 영상을 통해 복잡한 생채 조직을 재현(reconstruction) 하고 CAD 등의 디지털 디자인을 통해 정확한 구조를 만들어 낸다. 3D 프린터의 제작능력과 소재의 요구조건은 프린터의 인쇄방식에 따라 달라진다. 또한 어떠한 세포들을 사용하느냐에 따라 조직 모델링의 응용에 많은 영향을 주게 된다.
2.1. 잉크젯 방식
잉크젯 방식은 80년대 후방에 처음 적용된 기술로 가장 기본적인 바이오프린팅 방식이다. 잉크젯 방식에는 수 마이크로초 동안 300℃까지 국소적인 열을 가하여 공기를 팽창시켜 잉크를 사출하는 열(thermal) 방식과 압전 작동기(piezoelectric actuator)를 이용하여 펄스 압력(pulse pressure)를 만들어 사출하는 압전 방식, 영구적인 자석기반의 배열과 로렌츠 힘(Lorentz force)을 이용한 전자지장(electromagnetic) 방식이 있다. 세포 생존률(viability)과 비용 등의 이유로 열 방식이 많이 이용된다. 잉크젯 방식은 70 ~ 90 % 의 세포 생존률을 보이며 광범위한 속도(1~10,000 Hz)로 운용이 가능하다. 뿐만 아니라 낮은 인쇄 비용과 해부학적인 해상도(1~300 picoliter/droplet, 20μm)를 가지며 high-throughput 적용이 가능하며 상용화 되어 있다는 장점을 가진다. 반면에 높은 세포 농도와 높은 점성의 바이오잉크를 사용하기 때문에 노즐이 막히는 문제가 발생하며 droplet의 부피가 일정하지 않게 인쇄 될 수 있으며 해상도에 제한이 있다는 단점을 가지고 있다.
2.2. 압출 방식
압출 방식은 잉크젯 방식과 달리 컴퓨터에 의한 자동화된 로보틱 시스템을 이용하여 바이오잉크를 연속적인 가는 실 형태로 사출한다. 압출은 피스톤이나 스크류를 이용하여 직접적으로 사출하는 기계적인 방법과 가스압력을 이용하는 간접적인 압축공기(pneumatic) 방법이 있다. 압출방식은 압출하는 힘에 의해서 전단 변형력(shear stress)을 받기 때문에 세포 생존률이 떨어지게 된다. 이외에 바이오프린트된 구조의 낮은 해상도와 세포간 상호작용과 세포와 기질간의 상호작용 조절의 한계, high-throughput 적용에 한계가 있다는 단점을 가지고 있다. 그럼에도 구조적으로 통합되고 기계적으로 좋은 구조를 인쇄할 수 있으며 경제적으로도 가장 효율적이며 쉽게 구입 할 수 있다는 장점을 가지고 있어 상업적으로 가장 많이 사용되고 있다.
2.3. 광 조형 방식
광 조형 방식은 인쇄 후의 높은 세포 생존률과 우수한 인쇄 속도와 해상도를 가짐으로써 최근 10년동안 인기를 얻고 있는 바이오프린팅 방식이다. 빛을 이용한 바이오프린팅에는 기계적 성질, 화학적 조성, 세포 및 물질 분포를 비롯하여 인쇄 된 구조물의 다양한 매개 변수를 조절할 수 있는 여러가지 방식들이 존재한다. 그 중에서 DLP (digital light processing) 기반 바이오프린팅과 2 광자 중합 (TPP, two-photon polymerization) 기반 바이오프린팅이 조직 공학에서 주로 사용이 된다. 빛을 이용한 바이오프린팅에는 기계적 성질, 화학적 조성, 세포 및 물질 분포를 비롯하여 인쇄 된 구조물의 다양한 매개 변수를 조절할 수 있는 여러가지 방식들이 존재한다. 그 중에서 DLP (digital light processing) 기반 바이오프린팅과 2 광자 중합 (TPP, two-photon polymerization) 기반 바이오프린팅이 조직 공학에서 주로 사용이 된다.
DLP 기반 바이오 프린팅은 컴퓨터로 제어되는 디지털 마이크로 미러 장치 (DMD, digital micro-mirror device) 칩과 전동 전사 스테이지, 전동 인쇄 헤드를 사용한다. DMD 칩은 약 20,000 개의 마이크로 미러로 구성되어 있으며, 각 마이크로 미러는 인쇄 프로세스 전반에 걸쳐 독립적으로 켜고 끌 수 있으므로 정확한 광 프로젝션 패터닝을 가능하게 한다. 마이크로 미러가 켜져 있을 때 UV 혹은 다른 광원의 조명이 pre-polymer 솔루션에 투사되어 polymer를 이룸으로써 인쇄가 이루어진다. DLP 기반 프린터의 해상도는 각 마이크로 미러의 광 초첨의 크기에 의해 정해지며 마이크로 수준의 해상도를 가지게 된다. DLP 기반의 프린팅은 한번에 패턴의 전체면이 pre-polymer에 조사되어 만들어지기 때문에 다른 방식 (점과 점, 혹은 선과 선)과 달리 인위적인 인터페이스가 없으며 구조의 기계적 무결성(mechanical integrity)이 좋아진다. 또한 기존 방식보다 인쇄 속도가 빠르며 유연한 패턴을 만들 수 있다.
TPP 기반의 바이오프린팅은 래스터 (raster) 레이저를 이용하여 반복적, 선택적으로 광 감성 단량체 (photo-sensitive monomers)를 중합시키는 레이저 기반의 광조형 기술이다. TPP 인쇄는 분자에 의한 2개의 광자의 흡수 확률이 빛의 세기의 제곱에 비례한다는 두 광자 흡수 현상을 이용한 것이다. TPP 기반의 바이오프린팅은 1μm3 이하의 voxel을 가지며 100nm의 해상도로 인쇄를 할 수 있다. 하지만 인쇄할 수 있는 구조의 크기와 속도에 한계가 있다는 단점이 있다. 인쇄 속도는 200–1600 mm/s, 정도로 압출방식 보다는 빠르나 잉크젯과는 비슷한 정도이다. type I collagen, bovine serum albumin, laminin, streptavidin, PEG-based hydrogels등의 여러 가지 폴리머가 이 방식으로 성공적으로 인쇄가 되었다.
3. 질병 모델링
3D 바이오프린팅은 hanging drop과 같은 다른 생물공학 기법과 비교하여 조직을 설계할 때 여러 세포 유형들을 보다 정확하게 배치 할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 또한 여러 세포 유형을 쌓을 수 있다는 것은 공동배양과 혈관 형성 가능성을 고려한 3D 구조물을 제작 할 수 있게 하며 복잡한 공간적 위치를 잡아 줌으로써 여러 소재를 처리 할 수 있는 융통성을 제공하고 세포와 기질간의 상호작용을 증대시켜 세포의 생존 가능성을 높이게 된다. 이러한 장점을 기반으로 3D 바이오프린팅은 약물 스크리닝과 징별모델 응용을 위해 간과 혈관, 근육과 같은 여러 장기를 모사하고 암과 같은 모델을 만드는데 적용이 되고 있다.
3.1. 간 모델
3D 바이오프린팅 기술은 약물, 포도당 및 지질의 신진 대사를 안정적으로 유지하는 간 조직을 제조하는데 사용되었다. 바이오프린팅 된 간 조직은 수 주(weeks) 동안 간의 약물 전달체와 대사효소의 발현을 나타내었다. cAMP와 PKA 신화에 의한 포도당 합성이 이루어졌으며 이는 인슐린 투여에 의해 억제 되었다. 담즙산 분비 또한 바이오프린팅 된 간 조직에서 동양혈관(sinusoid)-간세포-담즙관 경로를 통해 관찰되었다. 약물 개발에서 심장 독성과 간 독성은 개발 후기 단계의 주요한 실패요인으로서 3D 바이오프린팅을 이용한 간 모델은 약물 전달 모델과 약물에 의한 간 손상을 확인하기 위한 획기적인 플랫폼을 제공하며 trovofloxacin과 levofloxacin의 독성 연구가 실제 이 플랫폼에 적용 되었다. 간세포와 비실질(non-parenchymal)세포가 바이오프린팅 되었고 성숙한 간으로 형성 되었음이 CD31의 발현과 간세포간의 결합 등을 통해 확인 되었다. Trovofloxacin의 간 독성은 표준 전임상 모델에서는 발견되지 않았고 levofloxacin은 trovofloxacin의 독성이없는 구조적 유사체였다. Trovofloxacin은 바이오프린팅 된 간에서 임상 적으로 적절한 용량 (≤ 4 μM)에서 유의 한 용량 의존 독성을 유발하였다. 또한, trovofloxacin의 독성이 lipopolysaccharide 자극이나 상주 대 식세포의 존재 없이 관찰 되었기 때문에 이전의 연구와 대조적이었다. 따라서 바이오프린팅 된 간 조직이 간 섬유화를 유도하는 화합물을 효과적으로 모델링 할 수 있을 뿐만 아니라 특유의 독성 프로파일과 관련하여 관련 화합물을 구별 할 수 있다는 것이 최종적으로 입증되다.
3.2. 근육 모델
근육 조직은 다양한 종류의 세포 유형 및 수축력을 나타내는 상이한 기계적 성질을 포함하는 매우 복잡한 구조를 갖는다. 다양한 바이오프린팅법이 근육의 복잡한 해부학적 특성을 보다 비슷하게 모방하기 위해 개발되었다. 설치류 세포인 C2C12세포를 Alginate/Pluronic 바이오잉크와 혼합하여 압출방식을 이용하여 in vitro에서 근육 구조물을 만들었다. 이는 80% 이상의 세포 생존률을 보였으며 MyoD, Myogenin 등을 발현함으로써 근육세포로 분화가 되었음을 확인 할 수 잇었다. 이러한 3D 구조는 수축력 측정에 기초한 약물 테스트에 사용되었다.
3.2. 내장 모델
인간의 장은 약물 흡수를 위한 매우 중요한 장기이며 효율적인 약물 흡수를 위하여 물리 화학적 성질의 관점에서 새로운 화학 물질의 초기 스크리닝에서 장 흡수가 강조 되었다. Organovo 3D NovoGen 바이오프린터를 이용하여 인간의 장 유래 근섬유 아세포의 상피 세포를 포함하는 시험 관내 장 조직 모델이 제작되었다. 이 모델은 tight junctions을 가지는 분극된 원주 상피(polarized columnar epithelium )와 cytochromes P450 (CYP450)을 발현하는 특이적인 세포를 가진 것으로 확인 되었다. 이 모델은 생리적으로 확인되는 장벽의 기능을 가지고 있으며 P-glycoprotein (P-gp) 와 breast cancer resistance protein (BCRP) transporters를 발현하는 것으로 확인이 되었다. 독성 평가는 항염증제인 indomethacin의 도움으로 이루어으며 장벽 기능은 상피 전기 저항 (TEER)에 의해 평가되었다. 이러한 결과를 종합하면, 이 내장 모델은 크론병 및 염증성 장 질환과 같은 질병 모델링에 사용될 수 있으며 생물 약제/독성 연구에 관한 전임상 연구를 위한 초기 실험에 사용 될 수 있음을 증명하였다.
3.3. 암 모델
종양 미세 환경은 종양에 대한 다양한 약물의 작용을 통제하는 데 중요한 역할을하는 것으로 잘 알려져 있다. 3D 바이오프린팅은 2D 모델과 비교하여 생물학적 유사성이 증가 된 종양 모델 제작에 대한 가능성을 보여주었다. 이것은 신경 교종 줄기 세포-함유 알긴산 염 / 젤라틴 / 피브리노겐 바이오잉크를 사용하여 제조 된 신경 교종 모델에서 입증되었다. 이 모델은 2D 배양 모델에 비해 약물 테모졸로이드(temozolomide)에 대한 내성이 증가함을 보여주었다. 또한, 3D 생체 인쇄 구조물은 저산소 코어 (hypoxic core) 및 생체 내 조건과 유사한 괴사(necrosis)를 보여 주었다. 광학 프로젝션 프린팅 시스템은 몇 가지 주요 다능성 마커의 발현을 나타내는 iPSC의 배아 체를 생성하는 데 유용하다는 것이 입증되었다. 또 다른 연구에서, MRC-5 섬유 아세포 및 인간 난소 암 (OVCAR-5) 세포가 MatrigelTM에 압출방식으로 인쇄 되었으며 조절된 구조 패턴과 함께 high-throughput하며 재현성 있는 다세포 구조를 형성하였다. 그 결과 1일차에 100–500 μm2 크기의 다세포의 소핵이 형성되었으며 15일차에 세포가 분열하고 소핵의 융합이 일어나면서 더욱 불균질한(heterogeneous) 형태를 이루게 되었다. 전반적인 소핵의 크기는 in vivo에서 얻어지는 것과 유사했으며 소핵의 크기는 droplet의 크기와 세포 수를 통해 조절할 수 있었다. Hela와 10T1/2 세포를 poly(ethyleneglycol diacrylate)(PEGDA) 바이오잉크에 넣어 광 조형방식으로 인쇄함으로써 암세포 이동에 대한 모델을 얻을 수 있었다. 이를 통해 폭이 25-120 ㎛ 범위 인 채널을 포함하는 모델이 제조되었고, HeLa 세포가 채널의 직경에 따라 다른 이동 범위를 보이는 반면 섬유 아세포의 이동은 영향을 받지 않음이 관찰되었다.