3D打印內(nèi)臟或?qū)?014年問世
全世界每天共有18個(gè)人因?yàn)檎也坏胶线m的器官移植而導(dǎo)致死亡，這對(duì)于我們來說是一件非常殘酷的事情。不過隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，這種狀況可能會(huì)有所改變，并且要比我們想象的更早發(fā)生。
現(xiàn)在通過3D打印來制作人體組織器官的技術(shù)進(jìn)步非常快，一家來自美國(guó)加州圣地亞哥名叫Organovo的生物技術(shù)公司已經(jīng)表示，將會(huì)在明年推出世界上第一個(gè)通過3D打印技術(shù)制造的人類器官，而這個(gè)器官將是人類的肝臟。
就像普通的3D打印形式，這種生物技術(shù)在打印的過程中，3D打印機(jī)逐層打印肝臟細(xì)胞和血管內(nèi)壁細(xì)胞，一共打印了大約20層，這樣這些細(xì)胞就形成了一個(gè)堅(jiān)實(shí)的實(shí)體器官，從而起到人體組織的作用。目前，創(chuàng)建人體組織大的障礙仍然是如何制造出為生命提供氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)輸?shù)难芟到y(tǒng)，因?yàn)樵诮M織從打印機(jī)上剝離之后，活的細(xì)胞體會(huì)慢慢的逐漸死亡。
但是，Organovo公司在一定程度上已經(jīng)克服了血管壁細(xì)胞的問題。“我們已經(jīng)成功的打印出了一個(gè)深500微米深的迷你肝臟組織，并且具備普通肝臟所擁有的將激素、鹽和藥物運(yùn)送到身體各處蛋白質(zhì)的功能，并且可以正常存活40天。”O(jiān)rganovo公司商業(yè)運(yùn)作執(zhí)行副總裁Mike Renard表示。
1微米等于一百萬分之一米，為了讓大家更好的理解，我們可以這樣想象：一張普通的打印紙張厚度是100微米，所以O(shè)rganovo公司打印出的迷你肝臟組織厚度就跟五張打印紙摞在一起一樣。
只通過3D打印技術(shù)制造出肝臟組織細(xì)胞是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因?yàn)樵诟闻K組織中存在多種不同功能的細(xì)胞組織來實(shí)現(xiàn)不同的功能，而我們必須將這些不同的細(xì)胞組織有效的結(jié)合才能制造出一個(gè)活的人體器官。
Mike Renard還表示，Organovo公司的技術(shù)人員能夠?qū)?zhí)行微血管網(wǎng)絡(luò)功能的纖維細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞匯集到一起，實(shí)現(xiàn)具有良好細(xì)胞生存能力、具有一定厚度的組織。
Organovo公司的肝臟組織模型計(jì)劃在明年發(fā)布，并且暫時(shí)僅供在實(shí)驗(yàn)室中用來進(jìn)行醫(yī)學(xué)和藥物研究。這將是非常重要的進(jìn)步，因?yàn)槟壳伴_發(fā)一種新的藥物平均成本需要12億美元，并且要消耗12年的時(shí)間。
目前Organovo公司還沒有發(fā)布任何未來關(guān)于可以直接移植3D打印器官的消息，因?yàn)榇祟愋袨楸仨氁?jīng)過政府部門的嚴(yán)格審查，被批準(zhǔn)后才能應(yīng)用于臨床。不過，通過3D打印技術(shù)創(chuàng)造出可以正常工作的肝臟組織，對(duì)于生物科技領(lǐng)域來說將是一個(gè)分水嶺。因?yàn)橥ㄟ^3D打印出的人體器官組織可以存活足夠長(zhǎng)的時(shí)間來測(cè)試對(duì)藥物或植入人體的反應(yīng)，并且還具有進(jìn)一步發(fā)展的空間。
“目前就預(yù)測(cè)打印人體組織終被應(yīng)用到醫(yī)療領(lǐng)域或見到成效還為時(shí)尚早?！盧enard說?！斑@個(gè)過程只能通過持續(xù)的器官組織開發(fā)和臨床試驗(yàn)來完成，并且之后還要通過食品和藥物管理局（FDA）的評(píng)估，通常這一過程還額外需要三至十年?！?/p>
為了鼓勵(lì)和刺激生物打印器官的發(fā)展，一家位于斯普林菲爾德的非營(yíng)利性再生醫(yī)學(xué)基金會(huì)Methuselah Foundation本月宣布將會(huì)獎(jiǎng)勵(lì)第一家打印出具備完整功能肝臟細(xì)胞的公司100萬美元。
目前，僅美國(guó)地區(qū)的等待器官移植名單上就有大約12萬人，即使其中一些人找到了合適的器官，依然要面臨諸如排異反應(yīng)等持續(xù)性的挑戰(zhàn)。然而，如果可以通過患者自己的干細(xì)胞復(fù)制生成完成的器官，那么排異反應(yīng)的問題將迎刃而解。
Methuselah Foundation機(jī)構(gòu)在自己的鼓勵(lì)政策公告中表示，目前器官再生項(xiàng)目在美國(guó)獲得的資金支持不到5億美元，與50億美元的癌癥項(xiàng)目和28億美元的艾滋病項(xiàng)目相比，依然明顯不夠?！岸偕t(yī)學(xué)是醫(yī)療領(lǐng)域的未來，但是目前來看依然存在很大的缺口?！?nbsp;Methuselah Foundation機(jī)構(gòu)首席執(zhí)行官David Gobel表示。
芯片上的器官
雖然3D打印器官移植到人體項(xiàng)目想要獲得FDA的批準(zhǔn)可能還需要長(zhǎng)達(dá)十年的時(shí)間，但是這種創(chuàng)造出器官組織的新技術(shù)仍然擁有非常廣闊的醫(yī)學(xué)前景。
打印出可長(zhǎng)時(shí)間存活的人體器官將幫助醫(yī)藥公司無需再通過動(dòng)物器官進(jìn)行臨床試驗(yàn)，而使用人體組織器官進(jìn)行實(shí)驗(yàn)將有助于產(chǎn)生更加精確的研究結(jié)果。
研究人員目前正在嘗試從人體器官上任意摘取一層極薄的組織來進(jìn)行器官的復(fù)制。而這一過程將被稱之為“器官芯片”或“器官上的人類”?？茖W(xué)家們多年來一直使用摘取人類表面皮膚的組織來進(jìn)行皮膚移植手術(shù)，通過細(xì)胞的自我復(fù)制性來治療大面積的皮膚損傷。然而，3D打印技術(shù)將要比這一過程更加復(fù)雜和先進(jìn)。不過另一方面，整個(gè)過程也更加艱巨和困難。3D細(xì)胞復(fù)制需要一個(gè)更精確的可重復(fù)過程來通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件（CAD），通過注射器來完整的打印出可用的人體器官。
“使用3D打印技術(shù)可以給我們無限的再現(xiàn)行和自動(dòng)化方式，來擴(kuò)大器官的制造規(guī)模?！比R斯大學(xué)生物工程學(xué)教授Jordan Miller表示。近Jordan Miller幫助賓夕法尼亞大學(xué)生物工程學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行精密組織器官打印的工作。
要想制造出可長(zhǎng)時(shí)間存活并可用的活體組織，首先必須要理解它的工作原理?！斑@是一個(gè)非常復(fù)雜的挑戰(zhàn)，”Miller說道?！拔覀儾⒉恢廊祟愃械纳眢w結(jié)構(gòu)，而且我們?nèi)匀辉趯W(xué)習(xí)之中。因此，我們同樣還不了解我們要重建的這些組織器官的所有特性。不過目前我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些證據(jù)來證明其實(shí)并不需要重新創(chuàng)建這些器官的所有功能。”
Miller和他的團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，如果他們僅僅重建某個(gè)組織的一部分，而不是完整的器官，那么這些組織一旦被植入人體之后，同樣可以自己繼續(xù)生長(zhǎng)成一個(gè)具有完整功能的器官?！拔覀円呀?jīng)有了一些獲得成功的薄膜組織、皮膚、角膜和膀胱等，但是在討論到肝臟或腎臟這些器官時(shí)，一切又變得更加復(fù)雜了。在非實(shí)驗(yàn)室的普通環(huán)境下，這些細(xì)胞都非常脆弱，而對(duì)于我們來說大的難度就是如何讓它們繼續(xù)存活?！盡iller表示?！拔覀円蛴〉募?xì)胞不像是皮膚移植那樣僅僅是10層20層，而研究人員正試圖打印出5000層甚至是10000層的細(xì)胞組織?！?/p>
打印血管原料很簡(jiǎn)單，僅僅是水和糖
為了打印出具有相當(dāng)厚度的組織，科學(xué)家們還必須要能夠創(chuàng)建出維持組織器官持續(xù)生命力所需要的血管。在以前，生物打印技術(shù)可將組織層“打印”成中空的小管道作為組織的脈管系統(tǒng)。但是，Miller教授的研究團(tuán)隊(duì)卻反其道而行之，事先在一個(gè)脈管系統(tǒng)模型里面設(shè)計(jì)出3D纖絲網(wǎng)絡(luò)，一旦細(xì)胞在模型和模板外形成固態(tài)組織后，則可將模型移除。
Miller和他的團(tuán)隊(duì)解釋說，糖被證實(shí)是理想的血管網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建材料，因?yàn)樘蔷哂幸欢ㄓ捕龋捎糜?D打印機(jī)，并且糖可以溶解在水中而不會(huì)對(duì)細(xì)胞帶來毒害。研究人員用蔗糖、葡萄糖及葡聚糖的混合物加固結(jié)，然后再通過3D打印機(jī)打印出來。
研究人員將模板包被上可降解的、由玉米制得的多聚物，然后讓糖模板溶解并經(jīng)由他們?cè)O(shè)置的孔道從凝膠中流出。通過這種方法，研究者們可以在糖完全溶解后讓營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)流經(jīng)血管結(jié)構(gòu)。由于器官脈管具有不變的結(jié)構(gòu)，這種方法為各種類型細(xì)胞和組織提供了擴(kuò)展性的解決方案。這不僅意味著我們可以移植由我們自身細(xì)胞發(fā)育而來的器官，而且這些模板還具有另外一個(gè)巨大的好處，它們具高穩(wěn)定性。
目前，Miller團(tuán)隊(duì)通過上述方法已經(jīng)取得的階段性的成功，研究人員已經(jīng)打印出可以存活兩周的部分器官組織。
可替換的耳朵和乳房
今年上半年，普林斯頓大學(xué)的研究人員通過將一臺(tái)老式噴墨打印機(jī)進(jìn)行改造，成功的打印出具有功能性的仿生耳朵，造價(jià)1000美元（約合人民幣6000元）。研究人員表示，他們所創(chuàng)造出的仿生學(xué)耳朵在能力上要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過正常人的聽覺，甚至可以聽到無線電的頻率，因?yàn)檫@個(gè)耳朵的組織是與電子技術(shù)結(jié)合在培養(yǎng)皿中生長(zhǎng)。
科學(xué)家們選擇的打印材料為水凝膠，一種在組織工程學(xué)中其支撐作用的化學(xué)物質(zhì)，接著用3D打印機(jī)打印出仿生耳朵，然后將從小牛身上獲取的細(xì)胞注入水凝膠中，接著加入一種含有納米銀粒子的聚合物，這種聚合物可以傳播無線射頻信號(hào)。后將小牛細(xì)胞成長(zhǎng)為軟骨組織，并圍繞一個(gè)線圈天線變硬。這樣，一個(gè)仿生學(xué)耳朵就誕生了。
還是在2013年，TeVido BioDevices生物科技公司首席技術(shù)官兼副總裁Scott Collins公開表示該公司已經(jīng)可以通過生物活體細(xì)胞重建技術(shù)及3D打印技術(shù)為那些患有乳腺癌并且將乳房切除的患者植入再生乳房或乳頭再造。
僅在2013年，美國(guó)就有大約30萬女性被確診為乳腺癌，而其中高達(dá)60%的患者會(huì)選擇通過切除乳房腫瘤的治療方法。而根據(jù)TeVido BioDevices公司的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，至少有25%接受手術(shù)的女性會(huì)對(duì)自己的外表和身體感到不滿和沮喪。
而TeVido BioDevices公司開發(fā)出的這種可植入到脂肪和皮膚的細(xì)胞完全取自患者本身，再次被植入到乳頭和乳暈中后不會(huì)出現(xiàn)排異反應(yīng)，終將會(huì)在形狀與顏色上完全的融入患者的乳房組織。
Scott Collins表示：“目前這項(xiàng)技術(shù)雖然可以重建患者的乳房、乳頭和乳暈等組織，但是目前并不完美，還存在一些人造的染料顏色問題。但是隨著時(shí)間的推移，這些人工色素染料將會(huì)慢慢被人體吸收而逐漸消失?！?/p>
據(jù)科技博客網(wǎng)站BusinessInsider報(bào)道，2014年將是醫(yī)療技術(shù)發(fā)展史上具有劃時(shí)代意義的一年：由3D打印機(jī)“制造”的人體器官誕生。生物技術(shù)公司Organovo在接受媒體采訪時(shí)說，該公司的“生物打印”技術(shù)將在明年底成功地打印出一個(gè)人類肝臟。
與其他3D打印技術(shù)一樣，生物打印技術(shù)一層一層地堆疊打印材料——Organovo使用的打印材料是肝細(xì)胞，生成實(shí)體物質(zhì)——人體器官。目前，“打印”人體器官的主要障礙仍然是“制造”為器官提供維持生命活動(dòng)所必需的氧氣和各種營(yíng)養(yǎng)的血管系統(tǒng)。Organovo表示，該公司已經(jīng)在一定程度上克服了這一問題。
Organovo商業(yè)運(yùn)作執(zhí)行副總裁邁克·雷納德(Mike Renard)說，采用3D打印技術(shù)生成的肝臟不適合移植到人體中，但可以用于科學(xué)研究和藥物試驗(yàn)。
對(duì)于Organovo的投資者而言，這是個(gè)好消息。Organovo希望向制藥公司銷售3D打印機(jī)，幫助它們降低藥物試驗(yàn)成本。德勤和湯森路透的數(shù)據(jù)顯示，2013年每種新藥的研發(fā)費(fèi)用平均為13億美元(約合人民幣79.4億元)。
Organovo急需在市場(chǎng)上推出產(chǎn)品。Organovo向美國(guó)證券交易委員會(huì)提交的文件顯示，該公司還沒有獲得有意義的營(yíng)收，主要靠資助維持公司運(yùn)營(yíng)
