從“人耳鼠”到“3D打印” 活體打印還有多遠？

來源：健康界

前不久，日本政府批準第一例人獸雜交胚胎實驗震驚了世界，這也是世界首例獲批的人獸雜交實驗。

（Nature對此事進行的報道）

本次獲批培養(yǎng)人獸雜交生物的研究者是東京大學醫(yī)學科學所的教授中內(nèi)啓光，他對外界宣稱：培養(yǎng)人獸雜交生物的最終目的，是讓這些動物能夠長出適配人類的器官，在器官移植當中作為器官供體，解決目前移植器官緊缺的問題。

且不說人獸雜交胚胎涉及的倫理問題，目前器官移植問題難道不能通過其他途徑解決么？

一、長在老鼠身上的耳朵
1997年，一只背上長了人耳朵的老鼠震驚了全世界。而讓世界震驚的并不是中國人把科幻片中出現(xiàn)的怪獸帶到現(xiàn)實，而是因為人耳鼠的出現(xiàn)給無數(shù)器官殘缺的病患帶來了重獲健康的希望！它和克隆羊一樣，是生物科學的里程碑！

（圖片來源于網(wǎng)絡）

2001年，這只“背上長著人耳朵”的老鼠在北京舉辦的國家“863”計劃十五周年成就展亮相，名噪一時。這只“人耳鼠”培育自上海交通大學教授、交大附屬第九人民醫(yī)院副院長曹誼林之手。

打造這樣一只人耳鼠，曹誼林教授利用異種關節(jié)軟骨，通過組織工程構建人形耳廓軟骨，裸鼠皮下植入等技術。先使用可降解材料經(jīng)過耳形壓模，聚乳酸(PLA)溶液浸泡使其強度增強，制成耳廓支架材料。讓細胞在其支架上繁殖生長，再將細胞接種于支架材料，經(jīng)過1-2周體外培養(yǎng)，在裸鼠背上割開一個口子，植入"人耳"。隨后，"人耳"的支架會自己降解消失，"長"在老鼠的背上。

二、3D打印人耳臨床試驗成功
二十年后，當人耳鼠逐漸淡出群眾視野的時候，2017年5月，國家組織工程中心曹誼林團隊生物打印的耳廓軟骨，郭樹忠團隊在北京大學國際醫(yī)院的臨床試驗成功。這個試驗的成功，標志著我國生物打印器官技術在耳科領域的突飛猛進，生物打印也標志組織工程逐漸成熟。

（圖片來源：孫建軍教授主題報告）

三、創(chuàng)造奇跡的組織工程
無論是人耳鼠還是生物打印技術，都屬于“組織工程”和“再生醫(yī)學”的范疇，這是1987年美國國家科學基金會根據(jù)美籍華人馮元禎建議正式提出的。是指運用工程學結合生命科學的遠離與技術，探討正常和/病理狀態(tài)下人體結構功能及其相互關系，研究生物替代物，以恢復維持和改進組織功能。20世紀90年代，各國開始關注組織工程研究，中國組織工程研究始于1994年，1998年提出“原位組織工程”概念。到21世紀，組織工程研究快速發(fā)展，部分產(chǎn)品已應用于臨床。

（一）組織工程三要素
1.種子細胞：體外或在體培養(yǎng)，可增值分化形成特定組織或器官。

種子細胞包括體細胞、胚胎干細胞和成體干細胞。其中體細胞來源有限，擴增效率低，傳代少，易變異。胚胎干細胞尚無法誘導使其分化為某一單一細胞，同種異體來源干細胞仍存在免疫排斥，成體干細胞包括MSC、NSC、HSC，易于大量擴增，具有多向分化潛能。

種子細胞一般來源于自體、同種異體、異種組織細胞，首選自體組織。

2.生物材料：天然或人工合成，良好的支架應該具有生物相容性、可吸收性、可塑性、表面化學特性和表面微結構利于細胞粘附和生長、可根據(jù)不同細胞組織再生速率調(diào)整降解速率。

3.調(diào)控因子：促進或誘導種子細胞定向增殖、分化、構建為所需組織、器官。

（二）關鍵技術：
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（1）體外構建：將細胞與生物支架在體外3D培養(yǎng)形成完整新生組織器官體內(nèi)移植；
（2）體內(nèi)構建：將體外初步培養(yǎng)的組織器官移植，體內(nèi)繼續(xù)培養(yǎng)，生物材料在體內(nèi)降解；
（3）原位構建：直接將復合支架系統(tǒng)移植于體內(nèi)，局部募集種子細胞原位構建組織。

2.旋轉生物反應器（RCSS）：應用微載體技術大規(guī)模細胞擴增的新型培養(yǎng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于美國NASA模擬空間微重力效應而設計的既可用于微載體大規(guī)模細胞培養(yǎng)，又能培育細胞與支架形成三維空間復合體。迄今為止已成功培養(yǎng)近百種細胞。

3.原位組織工程：是指運用組織工程基本原理與技術，通過特定方法誘導缺損組織局部成體干細胞與體細胞定向遷移、增殖、分化，整合細胞外基質(zhì)形成新生組織。

技術優(yōu)勢：利用體內(nèi)微環(huán)境和精準調(diào)節(jié)基質(zhì)在缺損局部供養(yǎng)種子細胞，避免傳統(tǒng)體外培養(yǎng)擴增、誘導分化的污染、傳代變異問題，利于重建組織血管化，有效優(yōu)化種子細胞營養(yǎng)來源，避免傳統(tǒng)移植的局部缺血、乏氧造成的細胞死亡。使用范圍包括細胞再生能力較強組織，如粘膜上皮、骨骼；解剖結構復雜，組織成分多樣的器官；含氣結構的組織損傷，如耳鼻咽喉、胃腸等。

四、耳科組織工程的發(fā)展
耳組織解剖結構復雜，組織成分多樣；基本框架由骨及軟骨組織形成；多于外界交通，大量含氣竇腔，內(nèi)附粘膜上皮；缺損組織體積較小（聽骨、耳廓缺損、骨膜）；承重、載荷等物理學要求相對較低。

耳組織不同的結構需要不同的技術機型構建：
（一）耳廓軟骨構建：
多種原因可發(fā)生耳廓畸形或缺，如先天性小耳畸形、外傷、炎癥等，耳廓重建手術目前仍然存在一些挑戰(zhàn)。耳廓軟骨重建需要制備多孔耳廓外形生物材料；與軟骨細胞符合體外培養(yǎng)；植入體內(nèi)，形成血管化新生軟骨。

1997年，曹誼林教授等[1] 以聚羥基乙酸為支架材料，接種牛關節(jié)軟骨細胞，首先在無免疫排斥能力的鼠體內(nèi)形成了形態(tài)精確的人耳形態(tài)軟骨。研究表明將軟骨細胞接種于可降解三維支架上植入體內(nèi)，可以形成新生軟骨組織, 這些研究為應用組織工程技術進行耳廓修復提供了有價值的實驗資料。

（二）乳突氣房構建：
乳突氣房發(fā)揮著氣體交換、物質(zhì)分泌、廢物排出、維持中耳腔通氣的功能 。乳突黏膜表面分布著豐富的毛細血管網(wǎng), 乳突腔并不僅僅有氣體貯藏的作用，還如同肺泡一樣發(fā)揮著氣體交換的作用[2]。

乳突氣房重建步驟為：多孔支架材料（膠原/凝膠包被+HA）準備、生物材料掃描電鏡觀察、乳突根治術后植入術腔、次期復查時見材料表面覆蓋新生粘膜，形成新生乳突氣房。

（三）骨膜組織構建：
鼓膜穿孔主要由慢性化膿性中耳炎及外傷引起，目前臨床上常采用鼓膜成形術進行治療。移植材料多選用自體組織或經(jīng)過處理的同種異體組織，雖有較高的修補成功率，但仍有無法克服的局限性，如犧牲正常組織，造成二次創(chuàng)傷；材料來源有限，不可能重復獲得；異體組織免疫排斥反應等。

組織工程可將皮膚成纖維細胞與皮膚角阮細胞加入膠原殼聚糖共混膜，體外構建TE化鼓膜。


（四）聽小骨構建：
雖有多種材料用于聽骨缺損修復，但各有缺點。異體或異種材料常導致機體排斥；自體材料不僅造成機體取材損傷，還有可能被機體破壞吸收，遠期效果不理想[3]。

組織工程技術的發(fā)展為聽骨缺損重建提供了新的思路和可能：自體組織干細胞原位遷徙、降解可控性組織工程支架、影像重建+數(shù)據(jù)轉換+材料堆積、活體移植誘導成骨。

（五）上皮組織構建：
目前組織工程皮膚研究進展迅猛，新西蘭大白兔外耳道壁全層皮膚模型的建立為臨床研究提供了新的思路與依據(jù)。

三維(3D)打印是當今科研界乃至商業(yè)界的一大熱點，被認為是第三次工業(yè)革命或制造業(yè)的新突破點。人體器官打印已被當做概念股炒作上市，吸引了無數(shù)人的注意。但器官3D打印還處于剛剛起步階段，需要做的工作很多。尤其是復雜器官打印面臨著巨大的困難和挑戰(zhàn)[4] 。

（圖片來源：圖蟲創(chuàng)意）

3D打印醫(yī)療應用分為“三層級”，初級是利用金屬、塑料等非活體組織材料的定制化假肢、聽骨、牙科、骨科植入物、助聽器外殼等；中級是打印上皮、血管、軟骨組織類單一細胞；

頂級水平就是3D打印人工肝臟、心臟等人工器官，在組織、器官培養(yǎng)過程中完成三維立體構建，規(guī)劃細胞按預先設計的空間排列生長。相信3D打印在醫(yī)療領域的應用會越來越廣泛，“微創(chuàng)外科+活體打印”的新模式未來可期。

（圖片來源：孫建軍教授主題報告）

參考文獻：

[ 1] Cao Y, Vacanti JP, Paige KE, et al .Transplantation of chon- drocytes utilizing a polymer-cell construct to produce tissue-en- gineered cartilage in the shape of a human ear[ J] .Plast Re- constr Surg , 1997 , 100(2):297-302.dicussion 303-294 .

[ 2] Yamamoto Y.Gas exchange function through the middle ear mucosa in piglets:comparative study of normal and inflamed ears[ J] .Acta Otolaryngol , 1999, 119(1):72-77 .

[3]李雪盛，孫建軍. 組織工程學技術在耳科的研究進展[J]. 山東大學耳鼻喉眼學報,2009,03:30-33.

[4]王鎵垠，柴磊，劉利彪，趙欣如，許雨帆，周新偉，張偉明，王小紅. 人體器官3D打印的最新進展[J]. 機械工程學報,2014,23:119-127.

本文根據(jù)海軍總醫(yī)院全軍耳鼻喉頭頸外科中心首席專家孫建軍教授在“2019中國耳鼻喉頭頸外科學術研討會華中高峰論壇”上的主題報告和以上文獻整理，部分圖文來源于網(wǎng)絡，如有侵權，請聯(lián)系刪除。