3D打印器官離我們還有多遠？

3D打印出的耳朵組織

　　每年有數(shù)以萬計的病患在等待合適的器官移植，設(shè)想一下，如果我們能夠根據(jù)需要“打印”人體器官，病人就可以免去漫長的等待時間。3D打印技術(shù)面世三十年來，與人們的生活越來越緊密，如今，我們不僅能用塑料作為“墨水”打印零件，金屬、陶瓷甚至人體細胞都可被注入“墨盒”進行操作。近日，《自然生物科技》雜志介紹了一種生物打印機，并證明通過3D打印出來的耳朵組織，被移植到小鼠體內(nèi)后能像正常組織一樣存活并生長。這是有史以來第一次3D打印技術(shù)被證實有望替代人體器官。

　　文/廣州日報記者

　　郭原毓

　　gettyimages供圖

　　用細胞當“墨水”的生物打印機

　　雖然“3D打印”不再像剛出現(xiàn)時那么吸引眼球，但這個新興領(lǐng)域時常有好消息傳來。2014年，人們“打印”出軟骨組織；2015年，又成功“打印”出供醫(yī)學(xué)研究用的腎臟組織。然而，囿于規(guī)模、結(jié)構(gòu)和細胞存活時間方面的限制，大部分這樣的打印產(chǎn)物只存在于實驗室中，不能真正作為可用的器官進行移植。

　　不過幾天前，美國維克森林大學(xué)的研究團隊在《自然生物科技》雜志上發(fā)表論文稱，他們把通過3D打印出的“耳朵”移植到小鼠體內(nèi)，兩個月后，植入的耳朵保持了形狀，而且還生成了適當?shù)能浌墙M織。也就是說，這些從打印機里誕生的組織能夠在生物體內(nèi)正常存活并生長。進一步設(shè)想，如果這項技術(shù)能用在人體上，那醫(yī)生就能直接用病人自己的細胞，打印出替代性的人體組織或器官，這將是再生學(xué)領(lǐng)域的一大跳躍進步。

　　這種“生物打印機”工作原理跟普通3D打印機一樣，也是根據(jù)模型圖紙一層層“堆”出設(shè)計好的形狀，但由于細胞不像塑料那么穩(wěn)固，如果僅僅是堆起來而不加約束，細胞很容易散開。因此在生物打印過程中，整個結(jié)構(gòu)會被加上一層臨時的聚己內(nèi)酯化合物，它可以發(fā)揮支架的作用，確保移植中結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。一旦移植完成，這層材料會逐漸降解且不產(chǎn)生毒性。同時，細胞會分泌出一種支持性的基質(zhì)，維護植入物的形狀。最終，細胞自行重組，不再需要支持性材料。

　　為了測試打印效果，研究團隊將3D打印的“耳朵”植入了小白鼠皮下，兩個月后，植入的耳朵不僅保持形狀，還生成了適當?shù)能浌墙M織。而另一部分打印并移植的肌肉組織，僅用了兩周時間，就在小白鼠體內(nèi)引起神經(jīng)形成。這實在是振奮人心的結(jié)果，對于失去耳朵的患者來說，如果可以用自己的細胞打印個真實的耳朵，不僅舒適度要比仿生耳朵好得多，也不會有排異反應(yīng)。

　　專家解惑：

　　打印3D器官

　誤差風(fēng)險依然存在

　　北京工業(yè)大學(xué)激光工程學(xué)院陳繼民教授表示，目前的醫(yī)療行業(yè)應(yīng)用到3D打印技術(shù)的僅僅是“皮毛”。“除了用于術(shù)前指導(dǎo)，比較常見的還有在骨折治療中訂制個性化鋼板。但這并不能起到避免排異的效果，只能讓鋼板形狀更匹配，更便于固定。人體組織、器官的3D打印技術(shù)應(yīng)用，還在基礎(chǔ)研究階段。”

　　陳繼民指出，3D打印器官，就算細胞外面用聚己內(nèi)酯化合物裹起來做支撐固定，但還是無法保證將3D打印器官放置人體后，它能長時間緊緊黏合在一起。再加上，人體真正的器官是非常復(fù)雜的，打印出來的細胞盡管能夠融合在一起，但并不意味著它們就能發(fā)揮功效。

　　此外，陳教授提醒說，目前還沒有哪一種軟件強大到可以建立非常詳細的器官模型，以供研究人員打印3D器官前做參考，這其中的誤差和風(fēng)險也是需要考慮的。


　人體系統(tǒng)很復(fù)雜 3D器官有局限

　　人體器官打印面臨的另一個問題是，如何在這些組織的內(nèi)部設(shè)計“空腔”——聚己內(nèi)酯固然可以使得細胞有序地堆疊在一起，但如果沒有內(nèi)部的空腔，這些細胞便活不了多久。

　　在正常組織中，血管會交織在器官內(nèi)部輸送養(yǎng)分，可許多打印出來的組織缺乏血管，移植后難以長期存活，自然不能撐到與移植受體“融為一體”。因此，給3D打印的組織留出供血管穿過的空間是極為重要的。

　　美國維克森林大學(xué)的團隊利用水凝膠解決了這一問題——這些水凝膠結(jié)構(gòu)能夠以固體的形態(tài)作為支架的作用，當細胞形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)后，它們就會被降解代謝，原先它們存在的位置，就成了可供血管伸展和發(fā)育的“空腔”。利用這一思路，原本因營養(yǎng)物質(zhì)輸送問題而受限的打印組織大小問題也得以克服了。

　　即使如此，中國3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟副理事長周功耀對打印器官仍持謹慎態(tài)度，他告訴記者，3D打印的部分器官在已知科學(xué)范疇內(nèi)沒有問題，但生物技術(shù)領(lǐng)域還有很多人類沒能掌握、沒有探究到的信息。即使人工器官在體外功能正常，一旦植入體內(nèi)，是否能運作、是否產(chǎn)生毒素，以及有哪些副作用目前都不得而知。

　　“人體系統(tǒng)非常復(fù)雜，萬不得已，不能用有限技術(shù)制成的器官去對接無限復(fù)雜的人體系統(tǒng)。生命是第一大事，這也是3D生物打印發(fā)展的第一大困難。目前3D打印耳朵、膀胱和心臟等都只存在實驗室里，在植入人體前還要做大量實驗、積累并分析大量數(shù)據(jù)，繼續(xù)不斷改進，要做的事情還有很多。”周功耀說，“但3D生物打印的一些前瞻性研究和個體實例出現(xiàn)是好事，將最終促成技術(shù)和產(chǎn)品的成熟?！?br />
　　3D打印之父PK醫(yī)學(xué)專家

　　3D器官是高端消費？

　　到目前為止，在3D打印器官方面，出現(xiàn)了很多“半成功”案例。之所以說“半成功”，是因為它們大多數(shù)無法正常工作，或者僅僅只能存活幾天時間。

　　比如，美國生物科技公司Organovo曾打印出一種能夠正常使用的微型人體肝臟，但它僅僅存活了40天時間。路易斯維爾大學(xué)研究人員也在去年4月打印出了心臟瓣膜和小靜脈，他們希望在未來能夠使用病人的細胞打印出一顆可以正常跳動的心臟。

　　對于3D生物打印的前景，中國工程院院士、被譽為中國“3D打印之父”的盧秉恒認為，預(yù)計5~10年內(nèi)，我國即可使用3D技術(shù)打印包括臟器在內(nèi)的人體活體器官。

　　盧秉恒介紹道，在醫(yī)療領(lǐng)域，3D打印目前已能夠定制骨骼，方便醫(yī)生在手術(shù)前反復(fù)練手。此外，還有醫(yī)生將3D打印應(yīng)用于癌癥的靶向治療，打印癌癥病變部位后反復(fù)模擬，最終使用穿刺技術(shù)將藥物精準送達病灶。也許在未來，用臺式掃描儀評估病人傷口后，就可以直接在病人傷口處打印人體組織。

　　至于3D生物打印的費用，北京解放軍總醫(yī)院骨科研究所副主任彭江表示，如果二三十年后，3D打印器官的技術(shù)能真正成熟，它也一定是高端消費?！耙驗檎麄€研發(fā)、細胞培養(yǎng)等一系列的成本非常高，當然等到實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)時，成本會有所降低，但前期投入不可忽視?！迸斫f。

　　3D打印流程：

　　“設(shè)計藍圖”必不可少

　　3D人體器官打印和塑料雕像打印之間的原理極為相似：都一個墨盒和噴頭，它們可以噴出“墨水”，并且逐層噴墨。不過，兩者之間又有明顯不同。

　　我們都知道大多數(shù)器官的樣子，但是想要打印出適合某個個體的器官，需要先對病人進行CT掃描，然后制出一張“設(shè)計藍圖”，對細胞在每層組織中的位置做詳細說明。

　　生物打印機使用的材料并非是PVC塑料或金屬，而是人體細胞以及黏合劑。除了使用真正的細胞之外，生物打印機也可以使用干細胞、生物工程材料和其他人體不會排斥的替代物質(zhì)。例如，2012年，一位83歲的比利時老太太曾成功移植了3D打印的“鈦下巴”，2013年，美國一名男子移植了3D打印的“塑料頭骨”。

　　一旦樣本打印出來后，需要將其放到培養(yǎng)器中，以便細胞能夠“融合”，彼此之間和諧相處，如同真的器官一樣。這一點也是當今3D人體器官打印面臨的真正難題。

陳老師專家一語中的，器官的復(fù)雜程度遠超想象，每一個器官的功能性細胞都是不一樣的，你的細胞耗材品種之多，保存和醫(yī)療條件之苛刻都可說是天價的，涉及基因?qū)W，遺傳學(xué)，細胞排異等等一些列問題，是不是每個人的身體都能夠適應(yīng)這種器官，另外有一個最可怕的問題就是大腦是絕對無法更換的，人類是物質(zhì)和精神的統(tǒng)一體，就按唯物論講大腦數(shù)據(jù)如何復(fù)制？這都是問題，不要換個行尸走肉出來
3D打印器官離我們還有多遠？ 2016-02-27 12:04:26
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