3D打印器官正在變成現(xiàn)實(shí)

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2023年6月7日，魔猴網(wǎng)了解到，美國(guó)《財(cái)富》雜志網(wǎng)站報(bào)道，3D打印器官可能很快變成現(xiàn)實(shí)。主要內(nèi)容編譯如下：

去年，在得克薩斯州的圣安東尼奧，醫(yī)生阿圖羅·博尼拉小心翼翼地為一名天生沒(méi)有右耳的20歲女士移植了一只外耳。這是按照她左耳的大小和形狀對(duì)稱制造的。

博尼拉是一名從業(yè)超過(guò)25年的兒童小耳癥外科醫(yī)生(治療耳朵先天缺陷的醫(yī)生)，也是該領(lǐng)域公認(rèn)的專家。對(duì)博尼拉來(lái)說(shuō)，這種手術(shù)很平常。但這個(gè)病例有不同尋常之處：移植的耳朵是用這位女士自身的軟骨細(xì)胞通過(guò)3D生物打印機(jī)制作出來(lái)的。這種情況對(duì)于博尼拉的職業(yè)生涯來(lái)說(shuō)尚屬首次。

博尼拉說(shuō)，移植手術(shù)“平淡無(wú)奇”。無(wú)論如何，這實(shí)在過(guò)謙了。

從近乎科幻的領(lǐng)域到思想萌芽，再到實(shí)際的科學(xué)，3D生物打印正在醫(yī)學(xué)研究的各個(gè)方面取得進(jìn)展。而現(xiàn)在，人們已開(kāi)始實(shí)踐這項(xiàng)技術(shù)。發(fā)展的步伐是緩慢的，一些最雄心勃勃的3D打印計(jì)劃還要幾十年才會(huì)完成。但進(jìn)步是實(shí)實(shí)在在的。

以色列特拉維夫大學(xué)組織工程學(xué)和再生醫(yī)學(xué)主任塔勒·德維爾教授說(shuō)：“我認(rèn)為，10年后我們將獲得用于移植的各種器官。我們將從皮膚和軟骨等簡(jiǎn)單器官開(kāi)始，然后我們將轉(zhuǎn)向更復(fù)雜的組織——最終是心臟、肝臟和腎臟?！?/span>

3D生物打印的未來(lái)

聽(tīng)起來(lái)很神奇，但它已經(jīng)發(fā)生了。多層次的皮膚、骨骼、肌肉結(jié)構(gòu)、血管、視網(wǎng)膜組織以及一些微型器官都已被3D打印出來(lái)。雖然目前還沒(méi)有一種打印產(chǎn)品得到批準(zhǔn)以用于人類，但沿科學(xué)時(shí)間軸的賽跑是激動(dòng)人心的。

據(jù)2022年的一份摘要和從事仿生胰腺研究的米哈烏·弗紹瓦博士介紹，波蘭研究人員通過(guò)3D生物打印制造了一個(gè)胰腺的功能原型，在兩周的觀察期內(nèi)，該原型在豬體內(nèi)實(shí)現(xiàn)了血流的穩(wěn)定。聯(lián)合治療公司通過(guò)3D打印制造了一個(gè)人類肺支架，它有4000公里長(zhǎng)的毛細(xì)血管和2億個(gè)肺泡，能夠在動(dòng)物模型中進(jìn)行氧氣交換。這是創(chuàng)造可移植的人類肺臟的關(guān)鍵一步?？蒲腥藛T則希望，爭(zhēng)取在五年內(nèi)得以開(kāi)展相關(guān)的肺臟移植人體試驗(yàn)。

在韋克福里斯特大學(xué)再生醫(yī)學(xué)研究所，科學(xué)家們開(kāi)發(fā)了一種移動(dòng)皮膚生物打印系統(tǒng)。在不太久的將來(lái)，他們期待能夠?qū)⒋蛴C(jī)直接推到有著難愈傷口(如燒傷)的患者床邊，然后掃描和測(cè)量傷口區(qū)域，并一層一層地將皮膚直接3D打印到傷口表面。他們的工作還有更多進(jìn)展。他們通過(guò)3D打印生成了骨骼肌。實(shí)驗(yàn)顯示，這些骨骼肌可以在嚙齒類動(dòng)物身上實(shí)現(xiàn)收縮，并在八周內(nèi)使前腿肌肉中80%以上先前喪失的肌肉功能得以恢復(fù)。

德維爾的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)通過(guò)3D打印制造出一顆“兔心大小”的心臟，它有著細(xì)胞、腔室、主要血管和心跳。德維爾說(shuō)，制造全尺寸的人類心臟需要同樣的基本技術(shù)，盡管放大尺寸的過(guò)程會(huì)非常復(fù)雜。德維爾說(shuō)：“我們現(xiàn)在正在研究起搏細(xì)胞、心房細(xì)胞和心室細(xì)胞。情況看起來(lái)不錯(cuò)。我相信，這就是未來(lái)。”

3D生物打印的原理

對(duì)人體器官進(jìn)行3D打印是一個(gè)了不起的理念。美國(guó)衛(wèi)生資源和服務(wù)局的數(shù)據(jù)顯示，目前有近10.6萬(wàn)美國(guó)人在等待獲得器官捐獻(xiàn)，每天有17人在等待中死亡。使用患者自身細(xì)胞制造器官的3D打印過(guò)程不僅可能會(huì)減少這種等待，還會(huì)大大降低發(fā)生器官排異反應(yīng)的概率，并可能消除對(duì)有害的終生免疫抑制藥物的需求。

斯坦福大學(xué)生物工程系的助理教授馬克·斯凱拉-斯科特說(shuō)：“將不同類型的細(xì)胞放在準(zhǔn)確的位置上以構(gòu)建復(fù)雜組織的能力，以及整合可以輸送必要的氧氣與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以保持細(xì)胞存活的血管的能力，是革新組織工程學(xué)的兩項(xiàng)(3D)技術(shù)。在過(guò)去的20年里，該領(lǐng)域發(fā)展非常迅速，從打印膀胱到如今打印多細(xì)胞組織(這些組織帶有可以同泵相連接的血管)，以及一些復(fù)雜的3D模型(這些模型類似心臟組件，帶有經(jīng)集成的心臟細(xì)胞)。”

在3D生物打印中，關(guān)鍵在于細(xì)胞。該過(guò)程從生成研究人員想要進(jìn)行生物打印的細(xì)胞開(kāi)始，然后細(xì)胞會(huì)根據(jù)指令變成某器官所特有的細(xì)胞類型。隨后，這些細(xì)胞被轉(zhuǎn)變成可打印的生物墨水，這涉及將它們與明膠或褐藻酸鹽等材料混合，以使它們具有類似牙膏的黏稠度。斯坦福大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室正在研究，如果干細(xì)胞以很高的密度擠在一起，它們?nèi)绾巫匀坏匦纬蛇@種黏稠物，這會(huì)讓3D打印器官完全由患者自身的細(xì)胞來(lái)形成。

斯凱拉-斯科特說(shuō)，生物墨水會(huì)被裝入注射器，并從噴嘴擠出，“就像蛋糕上的糖霜”。這就是實(shí)際的3D生物打印過(guò)程，它通常包括制造不同類型的細(xì)胞，每種細(xì)胞都裝入一個(gè)不同的噴嘴。德維爾說(shuō)，打印微型心臟花了大約4小時(shí)。一旦完成，打印出的組織有時(shí)會(huì)與泵相接，這個(gè)泵將驅(qū)動(dòng)氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)通過(guò)該組織。隨著時(shí)間的推移，組織會(huì)自行發(fā)育，成熟度和功能也會(huì)增加。

這個(gè)大致的過(guò)程——雖然在這里被大大簡(jiǎn)化了——生成了博尼拉在得克薩斯州開(kāi)展的移植手術(shù)中所用的外耳。在過(guò)去的大多數(shù)小耳癥手術(shù)中，博尼拉會(huì)從病人的肋骨上提取軟骨，以形成新的外耳。這一次，博尼拉對(duì)患者的另一只耳朵進(jìn)行了一個(gè)小規(guī)模的活檢，從活檢中提取的軟骨細(xì)胞經(jīng)過(guò)培養(yǎng)形成了數(shù)十億個(gè)細(xì)胞，這些細(xì)胞通過(guò)3D打印構(gòu)成新的移植物。

博尼拉說(shuō)：“與任何研究一樣，為了嘗試改進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)，未來(lái)會(huì)在各種患者身上重復(fù)3D打印器官移植手術(shù)。我們不確定這將在何時(shí)成為主要治療方法，但前景是非常令人振奮的?！?/span>

3D生物打印的優(yōu)勢(shì)

韋克福里斯特大學(xué)的科學(xué)家多年來(lái)一直在實(shí)驗(yàn)室里培育器官和組織。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里用3D打印技術(shù)制造了一個(gè)微型腎臟和一個(gè)微型肝臟。下一項(xiàng)挑戰(zhàn)是制造更大、更堅(jiān)實(shí)的結(jié)構(gòu)，并更充分地模擬器官功能。哈佛大學(xué)生物啟發(fā)工程學(xué)教授珍妮弗·劉易斯說(shuō)：“我們距離實(shí)現(xiàn)器官規(guī)模上的這一目標(biāo)還很遠(yuǎn)?！?/span>

韋克福里斯特大學(xué)再生醫(yī)學(xué)學(xué)院的創(chuàng)始主任安東尼·阿塔拉說(shuō)：“我們已經(jīng)能夠打印像皮膚這樣的扁平結(jié)構(gòu)，像血管這樣的管狀結(jié)構(gòu)，或者像膀胱這樣的空心非管狀器官。”阿塔拉說(shuō)，較大的實(shí)心器官是不同的，這是“因?yàn)檠芊植己蜖I(yíng)養(yǎng)方面的挑戰(zhàn)。每厘米有那么多細(xì)胞”。

在某種程度上，有關(guān)細(xì)胞生成，問(wèn)題在于質(zhì)量。科學(xué)家們已經(jīng)能夠由干細(xì)胞制造出心臟細(xì)胞，但這個(gè)細(xì)胞卻不會(huì)像你的心臟細(xì)胞那樣強(qiáng)有力地跳動(dòng)。生成的肝細(xì)胞和腎細(xì)胞也存在類似問(wèn)題。斯凱拉-斯科特說(shuō)：“在某些方面，3D生物打印領(lǐng)域正在等待基礎(chǔ)生物學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家取得重大突破。”

還有數(shù)量的問(wèn)題。德維爾說(shuō)，制造一顆心臟需要“數(shù)以十億計(jì)的細(xì)胞——而且你需要不同的細(xì)胞，甚至不同的心肌細(xì)胞”。斯凱拉-斯科特則說(shuō)，為了給單個(gè)器官制造足夠的細(xì)胞，一個(gè)設(shè)施需要安裝一個(gè)10升的攪拌缸，每天可能要投入5000美元的材料，并連續(xù)運(yùn)作幾個(gè)月。最終目標(biāo)是一個(gè)月制造數(shù)千個(gè)器官，而不是一個(gè)。

3D生物療法公司的首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人丹·科恩說(shuō)，除此之外，還有組織如何融入人體，以及如何得到人體(包括血管、神經(jīng)和多種細(xì)胞構(gòu)成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò))的支持等問(wèn)題?？贫髡f(shuō)：“這不是說(shuō)做不到。我對(duì)生物打印和更廣泛意義上的再生醫(yī)學(xué)抱有很大希望?！笨贫?/span>20年前就開(kāi)始在生物打印領(lǐng)域開(kāi)展工作，當(dāng)時(shí)該領(lǐng)域還沒(méi)有一個(gè)正式的名字。

即使在短期內(nèi)，進(jìn)步也是顯而易見(jiàn)的。劉易斯說(shuō)，哈佛大學(xué)的研究人員從人類多能干細(xì)胞中培育出了心肌細(xì)胞，然后將它們植入帶有集成傳感器的生物工程芯片，這些傳感器可以追蹤跳動(dòng)的組織。這種裝在芯片上的3D打印心臟可用于測(cè)試各種心臟病藥物的潛在毒副作用，并可能減少對(duì)動(dòng)物試驗(yàn)的需求。

阿塔拉說(shuō)：“3D打印機(jī)帶來(lái)了一些優(yōu)勢(shì)。首先是便于擴(kuò)大器官制造規(guī)模，因?yàn)榭梢宰屪詣?dòng)化的打印機(jī)來(lái)工作，而不是一次手動(dòng)制作一個(gè)組織或器官。第二個(gè)優(yōu)勢(shì)在于精確度。我們可以更精確地把這些細(xì)胞安置在需要它們的地方?！?/span>

還有降低總體成本的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)?/span>3D打印允許擴(kuò)大制造規(guī)模。還有阿塔拉所說(shuō)的“再生性”——一種一遍又一遍地制造相同結(jié)構(gòu)的方法。在器官移植方面，由患者自身細(xì)胞制成的新器官可以大大降低發(fā)生排異反應(yīng)的可能性。

大多數(shù)研究人員認(rèn)為，全尺寸3D打印人體器官移植還需要20到30年的時(shí)間才會(huì)實(shí)現(xiàn)。德維爾說(shuō)：“最終，展望未來(lái)，我們將不需要心臟捐贈(zèng)。我們將不需要肝臟捐贈(zèng)。這是我的看法，我很樂(lè)觀。我認(rèn)為，要不了20年，各種3D打印器官移植就會(huì)成為現(xiàn)實(shí)?！边@是科學(xué)，而非科幻。