手術需要換器官？3D打印內臟或將2014年問世

孤寂如雲

全世界每天共有18個人因為找不到合適的器官移植而導致死亡，這對於我們來說是一件非常殘酷的事情。不過隨著3D打印技術的不斷發展，這種狀況可能會有所改變，並且要比我們想象的更早發生。

現在通過3D打印來制作人體組織器官的技術進步非常快，一家來自美國加州聖地亞哥名叫Organovo的生物技術公司已經表示，將會在明年推出世界上第一個通過3D打印技術制造的人類器官，而這個器官將是人類的肝臟。

就像普通的3D打印形式，這種生物技術在打印的過程中，3D打印機逐層打印肝臟細胞和血管內壁細胞，一共打印了大約20層，這樣這些細胞就形成了一個堅實的實體器官，從而起到人體組織的作用。目前，創建人體組織最大的障礙仍然是如何制造出為生命提供氧氣和營養物質運輸的血管系統，因為在組織從打印機上剝離之後，活的細胞體會慢慢的死亡。

但是，Organovo公司在一定程度上已經克服了血管壁細胞的問題。“我們已經成功的打印出了一個深500微米深的迷你肝臟組織，並且具備普通肝臟所擁有的將激素、鹽和藥物運送到身體各處蛋白質的功能，並且可以正常存活40天。”Organovo公司商業運作執行副總裁Mike Renard表示。

1微米等於一百萬分之一米，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Organovo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打印技術制造出肝臟組織細胞是遠遠不夠的，因為在肝臟組織中存在多種不同功能的細胞組織來實現不同的功能，而我們必須將這些不同的細胞組織有效的結合才能制造出一個活的人體器官。

Mike Renard還表示，Organovo公司的技術人員能夠將執行微血管網絡功能的纖維細胞和內皮細胞匯集到一起，實現具有良好細胞生存能力、具有一定厚度的組織。

Organovo公司的肝臟組織模型計劃在明年發布，並且暫時僅供在實驗室中用來進行醫學和藥物研究。這將是非常重要的進步，因為目前開發一種新的藥物平均成本需要12億美元，並且要消耗12年的時間。

目前Organovo公司還沒有發布任何未來關於可以直接移植3D打印器官的消息，因為此類行為必須要經過政府部門的嚴格審查，被批準後才能應用於臨床。不過，通過3D打印技術創造出可以正常工作的肝臟組織，對於生物科技領域來說將是一個分水嶺。因為通過3D打印出的人體器官組織可以存活足夠長的時間來測試對藥物或植入人體的反應，並且還具有進一步發展的空間。

“目前就預測打印人體組織最終被應用到醫療領域或見到成效還為時尚早。”Renard說。“這個過程只能通過持續的器官組織開發和臨床試驗來完成，並且之後還要通過食品和藥物管理局（FDA）的評估，通常這一過程還額外需要三至十年。”

為了鼓勵和刺激生物打印器官的發展，一家位於斯普林菲爾德的非營利性再生醫學基金會Methuselah Foundation本月宣布將會獎勵第一家打印出具備完整功能肝臟細胞的公司100萬美元。

目前，僅美國地區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等持續性的挑戰。然而，如果可以通過患者自己的幹細胞復制生成完成的器官，那麼排異反應的問題將迎刃而解。

Methuselah Foundation機構在自己的鼓勵政策公告中表示，目前器官再生項目在美國獲得的資金支持不到5億美元，與50億美元的癌癥項目和28億美元的艾滋病項目相比，依然明顯不夠。“而再生醫學是醫療領域的未來，但是目前來看依然存在很大的缺口。”

Methuselah Foundation機構首席執行官David Gobel表示。


芯片上的器官

雖然3D打印器官移植到人體項目想要獲得FDA的批準可能還需要長達十年的時間，但是這種創造出器官組織的新技術仍然擁有非常廣闊的醫學前景。

打印出可長時間存活的人體器官將幫助醫藥公司無需再通過動物器官進行臨床試驗，而使用人體組織器官進行實驗將有助於產生更加精確的研究結果。

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行器官的復制。而這一過程將被稱之為“器官芯片”或“器官上的人類”。科學家們多年來一直使用摘取人類表面皮膚的組織來進行皮膚移植手術，通過細胞的自我復制性來治療大面積的皮膚損傷。然而，3D打印技術將要比這一過程更加復雜和先進。不過另一方面，整個過程也更加艱巨和困難。3D細胞復制需要一個更精確的可重復過程來通過計算機輔助設計軟件（CAD），通過注射器來完整的打印出可用的人體器官。

“使用3D打印技術可以給我們無限的再現行和自動化方式，來擴大器官的制造規模。”萊斯大學生物工程學教授Jordan Miller表示。最近Jordan Miller幫助賓夕法尼亞大學生物工程學實驗室進行精密組織器官打印的工作。

要想制造出可長時間存活並可用的活體組織，首先必須要理解它的工作原理。“這是一個非常復雜的挑戰，”Miller說道。“我們並不知道人類所有的身體結構，而且我們仍然在學習之中。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。不過目前我們已經發現了一些證據來證明其實並不需要重新創建這些器官的所有功能。”

Miller和他的團隊認為，如果他們僅僅重建某個組織的一部分，而不是完整的器官，那麼這些組織一旦被植入人體之後，同樣可以自己繼續生長成一個具有完整功能的器官。“我們已經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，一切又變得更加復雜了。在非實驗室的普通環境下，這些細胞都非常脆弱，而對於我們來說最大的難度就是如何讓它們繼續存活。”Miller表示。“我們要打印的細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層的細胞組織。”


打印血管原料很簡單，僅僅是水和糖

為了打印出具有相當厚度的組織，科學家們還必須要能夠創建出維持組織器官持續生命力所需要的血管。在以前，生物打印技術可將組織層“打印”成中空的小管道作為組織的脈管系統。但是，Miller教授的研究團隊卻反其道而行之，事先在一個脈管系統模型裏面設計出3D纖絲網絡，一旦細胞在模型和模板外形成固態組織後，則可將模型移除。

Miller和他的團隊解釋說，糖被證實是理想的血管網絡構建材料，因為糖具有一定硬度，可用於3D打印機，並且糖可以溶解在水中而不會對細胞帶來毒害。研究人員用蔗糖、葡萄糖及葡聚糖的混合物加固結，然後再通過3D打印機打印出來。

研究人員將模板包被上可降解的、由玉米制得的多聚物，然後讓糖模板溶解並經由他們設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後讓營養物質流經血管結構。由於器官脈管具有不變的結構，這種方法為各種類型細胞和組織提供了擴展性的解決方案。這不僅意味著我們可以移植由我們自身細胞發育而來的器官，而且這些模板還具有另外一個巨大的好處，它們具高穩定性。

目前，Miller團隊通過上述方法已經取得的階段性的成功，研究人員已經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，普林斯頓大學的研究人員通過將一台老式噴墨打印機進行改造，成功的打印出具有功能性的仿生耳朵，造價1000美元（約合人民幣6000元）。研究人員表示，他們所創造出的仿生學耳朵在能力上要遠遠超過正常人的聽覺，甚至可以聽到無線電的頻率，因為這個耳朵的組織是與電子技術結合在培養皿中生長。

科學家們選擇的打印材料為水凝膠，一種在組織工程學中其支撐作用的化學物質，接著用3D打印機打印出仿生耳朵，然後將從小牛身上獲取的細胞注入水凝膠中，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。最後將小牛細胞成長為軟骨組織，並圍繞一個線圈天線變硬。這樣，一個仿生耳朵就誕生了。

還是在2013年，TeVido BioDevices生物科技公司首席技術官兼副總裁Scott Collins公開表示該公司已經可以通過生物活體細胞重建技術及3D打印技術為那些患有乳腺癌並且將乳房切除的患者植入再生乳房或乳頭再造。

僅在2013年，美國就有大約30萬女性被確診為乳腺癌，而其中高達60%的患者會選擇通過切除乳房腫瘤的治療方法。而根據TeVido BioDevices公司的調查數據顯示，至少有25%接受手術的女性會對自己的外表和身體感到不滿和沮喪。

而TeVido BioDevices公司開發出的這種可植入到脂肪和皮膚的細胞完全取自患者本身，再次被植入到乳頭和乳暈中後不會出現排異反應，最終將會在形狀與顏色上完全的融入患者的乳房組織。

Scott Collins表示：“目前這項技術雖然可以重建患者的乳房、乳頭和乳暈等組織，但是目前並不完美，還存在一些人造的染料顏色問題。但是隨著時間的推移，這些人工色素染料將會慢慢被人體吸收而逐漸消失。”

騰訊數碼