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3D打印器官正在變成現(xiàn)實

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2023年6月7日，魔猴網(wǎng)了解到，美國《財富》雜志網(wǎng)站報道，3D打印器官可能很快變成現(xiàn)實。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稱制造的。

博尼拉是一名從業(yè)超過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)域公認的專家。對博尼拉來說，這種手術(shù)很平常。但這個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胞通過3D生物打印機制作出來的。這種情況對于博尼拉的職業(yè)生涯來說尚屬首次。

博尼拉說，移植手術(shù)“平淡無奇”。無論如何，這實在過謙了。

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

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：“我認為，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單器官開始，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

聽起來很神奇，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。雖然目前還沒有一種打印產(chǎn)品得到批準以用于人類，但沿科學(xué)時間軸的賽跑是激動人心的。

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3D生物打印制造了一個胰腺的功能原型，在兩周的觀察期內(nèi)，該原型在豬體內(nèi)實現(xiàn)了血流的穩(wěn)定。聯(lián)合治療公司通過3D打印制造了一個人類肺支架，它有4000公里長的毛細血管和2億個肺泡，能夠在動物模型中進行氧氣交換。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，爭取在五年內(nèi)得以開展相關(guān)的肺臟移植人體試驗。

在韋克福里斯特大學(xué)再生醫(yī)學(xué)研究所，科學(xué)家們開發(fā)了一種移動皮膚生物打印系統(tǒng)。在不太久的將來，他們期待能夠?qū)⒋蛴C直接推到有著難愈傷口(如燒傷)的患者床邊，然后掃描和測量傷口區(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展。他們通過3D打印生成了骨骼肌。實驗顯示，這些骨骼肌可以在嚙齒類動物身上實現(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)。

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

3D生物打印的原理

對人體器官進行3D打印是一個了不起的理念。美國衛(wèi)生資源和服務(wù)局的數(shù)據(jù)顯示，目前有近10.6萬美國人在等待獲得器官捐獻，每天有17人在等待中死亡。使用患者自身細胞制造器官的3D打印過程不僅可能會減少這種等待，還會大大降低發(fā)生器官排異反應(yīng)的概率，并可能消除對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：“將不同類型的細胞放在準確的位置上以構(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養(yǎng)物質(zhì)以保持細胞存活的血管的能力，是革新組織工程學(xué)的兩項(3D)技術(shù)。在過去的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)集成的心臟細胞)?！?/span>

在3D生物打印中，關(guān)鍵在于細胞。該過程從生成研究人員想要進行生物打印的細胞開始，然后細胞會根據(jù)指令變成某器官所特有的細胞類型。隨后，這些細胞被轉(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)的實驗室正在研究，如果干細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，這會讓3D打印器官完全由患者自身的細胞來形成。

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

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

博尼拉說：“與任何研究一樣，為了嘗試改進這項技術(shù)，未來會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成為主要治療方法，但前景是非常令人振奮的。”

3D生物打印的優(yōu)勢

韋克福里斯特大學(xué)的科學(xué)家多年來一直在實驗室里培育器官和組織。他們在實驗室里用3D打印技術(shù)制造了一個微型腎臟和一個微型肝臟。下一項挑戰(zhàn)是制造更大、更堅實的結(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：“我們距離實現(xiàn)器官規(guī)模上的這一目標還很遠?！?/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：“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?！卑⑺f，較大的實心器官是不同的，這是“因為血管分布和營養(yǎng)方面的挑戰(zhàn)。每厘米有那么多細胞”。

在某種程度上，有關(guān)細胞生成，問題在于質(zhì)量。科學(xué)家們已經(jīng)能夠由干細胞制造出心臟細胞，但這個細胞卻不會像你的心臟細胞那樣強有力地跳動。生成的肝細胞和腎細胞也存在類似問題。斯凱拉-斯科特說：“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)量的問題。德維爾說，制造一顆心臟需要“數(shù)以十億計的細胞——而且你需要不同的細胞，甚至不同的心肌細胞”。斯凱拉-斯科特則說，為了給單個器官制造足夠的細胞，一個設(shè)施需要安裝一個10升的攪拌缸，每天可能要投入5000美元的材料，并連續(xù)運作幾個月。最終目標是一個月制造數(shù)千個器官，而不是一個。

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，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)和多種細胞構(gòu)成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò))的支持等問題。科恩說：“這不是說做不到。我對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年前就開始在生物打印領(lǐng)域開展工作，當(dāng)時該領(lǐng)域還沒有一個正式的名字。

即使在短期內(nèi)，進步也是顯而易見的。劉易斯說，哈佛大學(xué)的研究人員從人類多能干細胞中培育出了心肌細胞，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的組織。這種裝在芯片上的3D打印心臟可用于測試各種心臟病藥物的潛在毒副作用，并可能減少對動物試驗的需求。

阿塔拉說：“3D打印機帶來了一些優(yōu)勢。首先是便于擴大器官制造規(guī)模，因為可以讓自動化的打印機來工作，而不是一次手動制作一個組織或器官。第二個優(yōu)勢在于精確度。我們可以更精確地把這些細胞安置在需要它們的地方?！?/span>

還有降低總體成本的優(yōu)勢，因為3D打印允許擴大制造規(guī)模。還有阿塔拉所說的“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)研究人員認為，全尺寸3D打印人體器官移植還需要20到30年的時間才會實現(xiàn)。德維爾說：“最終，展望未來，我們將不需要心臟捐贈。我們將不需要肝臟捐贈。這是我的看法，我很樂觀。我認為，要不了20年，各種3D打印器官移植就會成為現(xiàn)實?！边@是科學(xué)，而非科幻。