3D列印器官目前發展到什麼程度，可以用於移植麼？

2020-08-17 王煜全

據IDTechEx預測，到2025年，全球3D列印市場需求為70億美元，預計其中一半來自3D生物列印領域。


隨著3D列印技術的迅猛發展，人類已能夠3D列印納米級的結構。那麼，到底3D列印器官可以用於器官移植麼？目前在醫療中主要用於哪些方面呢？


自19世紀中葉以來，研究人員一直用玻璃和塑料培養皿一層層地培養細胞。這種方法是生物學研究的基石，研發脊髓灰質炎、天花疫苗、胰島素等都離不開它。自從有了3D列印技術，生物學家們開始放棄分層培養細胞的做法，著手研究三維器官培養物，即類器官。


藉助合適的細胞外基質，幹細胞將增殖成超細胞網絡，自發形成三維結構，模仿器官的真實狀態。類器官有望減少對動物試驗的需求，並提供改進的模型來了解疾病的發生過程。


器官移植一直是治癒器官衰竭患者最直接的手段，但是卻面臨不少困境：

一是移植器官與本體的排斥反應還未完全解決，

二是可供移植的器官十分稀缺。


由於人體組織的複雜性，器官構建絕不是生物列印材料的有序堆積而已。目前還沒有人列印出功能齊全、可移植的人體器官，但科學家們離這一目標越來越近，他們正在製造可用於藥物測試的組織塊，已能列印出結構相對單一的器官，比如氣管、血管。


·Organovo：3D列印血管


2010年美國Organovo公司率先實現了3D列印血管的商業化進程。


位於加利福尼亞州聖地牙哥的Organovo，創辦於2007年，主要業務是將3D列印的人體組織出售給製藥公司，用於藥物的研發和測試。


Organovo的3D列印肝臟組織exVive3D可以連續保持功能長達40天，目前已經開始售賣給藥企開展藥物測試。2015年4月，Organovo與默克和歐萊雅達成合作協議，利用Organovo的3D列印技術，列印皮膚和其他細胞。


·用於測試藥物的3D列印心臟


2019年，以色列特拉維夫大學George S. Wise生命科學學院的Tal Dvir教授領導的團隊成功地利用從患者身上提取的組織製造出首個3D列印心臟。


這是世界上首次通過工程學設計，打造出具有細胞、血管、心室的完整心臟。研究人員估計，可能在10到15年內列印出定製化的器官和組織，從而解決捐贈器官不足和移植排異的風險。同時，這項創新技術還可以用來進行藥物篩選。


科學家們從患者身上採集了脂肪組織，並且將其中的細胞和非細胞物質分離開來。分離出的細胞隨後與特製的列印材料混合到一起列印出適合患者的心臟組織。列印出的組織包含心肌、血管和細胞外基質，它們通過生化、機械和電氣方式將不同的細胞連接起來。


從培養皿轉移到3D列印組織可以顯著改善藥物測試，節省寶貴的時間和金錢，並有望生產出更安全有效的藥物。為此特拉維夫大學與拜耳（Bayer）公司籤署了一項合作協議，開發和驗證用於體外心臟毒性篩查的平臺。


·3D列印帶血管的皮膚

2019年11月，美國倫斯勒理工學院研究人員最新研發出一種3D列印技術，可以製造出帶有血管的活皮膚，這項技術朝著創造更接近人體自然皮膚移植物的目標邁出了重要一步。


雖然過去人們已經能夠將簡單類型的細胞放在一起進行列印，製造出一種類似人類皮膚的組織，但它面臨著一個問題，因為此類的皮膚組織沒有血管，無法與宿主完全結合，最終還是會壞死。皮膚中的血管非常重要，因為它能從宿主細胞獲得營養給移植皮膚，同時有助於清除代謝產物。所以在宿主與移植物之間如果缺少了這個連通渠道，移植的皮膚就無法存活。


研究人員將更多種類的細胞進行結合，包括黑色素細胞、內皮細胞和外膜細胞，並利用3D列印技術形成了功能性血管。通過將該皮膚移植到動物傷口發現，它能夠與動物的皮膚、組織完美的結合。下一步，研究人員試圖讓移植皮膚的結構更複雜，功能更加強大，甚至考慮如何將它應用於燒傷患者的治療。


·3D列印器官，可以用於移植了麼？


3D列印還有很多難題需要解決，實驗室成功不等於產業化成功。對醫療產品來說，在應用於人體之前必須在安全性、有效性方面符合臨床要求，需要大量的實驗驗證。


一個不含細胞的用於組織修復的3D列印產品從研發到上市，大致需要5年到6年時間。而含活細胞的3D列印產品，因尚有諸多技術難題待突破，還很難估算上市時間。


在8月13日【前哨科技特訓營】課程私享群中，就有學員問3D列印到底能不能列印器官？

我的回答如下，供大家參考～


第一，3D列印器官其實不是真的3D列印，是要事先培養好細胞，然後把細胞一層層堆疊起來，中間用「生物膠水」粘起來，更像金屬3D列印，金屬粉末堆疊，然後燒結；


第二，沒有複雜結構的器官能列印，有複雜結構的列印不了，但很遺憾，大多數器官都有複雜結構，比如腎，不是一堆腎臟細胞的堆疊，而是要形成一個個很小的腎小球，這種複雜結構、甚至涉及到不同功能的多種細胞，3D列印就做不了，所以在構建可替代的人類器官上，目前3D列印用處不大，還得靠啟菡生物（基因編輯技術用於異種器官移植）的路數；


第三，現有的3D列印也不是沒有用，能做成器官晶片(Organ-on-a-chip,OOC)就是模擬整個器官和器官系統活動、力學特性和生理反應等的多通道3D微流體細胞培養晶片。


晶片上的器官，可以測試新藥的代謝機理，更接近人類的真實代謝狀況，在新藥研發上有用，將來有希望部分替代臨床實驗。


關於3D列印人體器官的未來發展和應用空間，你有什麼看法呢？歡迎留言和我們互動。

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