3D列印能解決移植器官短缺問題嗎?|3d列印|移植器官|血管|3d生物...

蘇黎世聯邦理工學院工程師打造的3D列印矽膠心臟

網易科技訊7月31日消息，《衛報》網站撰文指出，我們距離3D生物列印人體器官還有多遠呢？該技術能否解決移植器官短缺問題呢？科學家們正在努力利用3D印表機來製造替代性人體器官。不過，雖然該技術的種種可能性令人興奮，但現在已經有人擔心它會讓人類「扮演上帝的角色」。

以下是文章主要內容：

埃裡克·加藤霍爾姆（Erik Gatenholm）第一次看到3D生物印表機是在2015年年初。當時，他的父親、哥德堡查爾姆斯理工大學化學與生物聚合物技術教授保羅（Paul）給家買來了一臺。它的價格在20萬美元左右。「我的父親說，『這東西能夠列印人類器官。』」加藤霍爾姆回憶道，如今他仍覺得驚詫不已。「我說，『胡說八道！』之後，它列印出了一個小小的軟骨。它不是軟骨，但它看上去讓人覺得它可能就是軟骨。那一刻，我覺得，『這簡直太酷了！』」

很早就擁有一臺普通的3D印表機的加藤霍爾姆當時就在想，他想要在3D生物列印領域幹出點什麼來。他的口音也許有點怪異——他在瑞典和美國長大，他的父親在美國是一位客座教授——但他的目標和雄心都是經過深思熟慮的。加藤霍爾姆在18歲那年創立了自己的第一家生物科技公司，當時他認識到，如果這臺機器有潛力列印器官，就像他父親說的那樣，那它就有潛力徹底改變醫療行業。

用於救命用移植的器官在全球各地都非常短缺。例如，在英國，現在要進行腎臟移植的話，通過國家醫療服務體系（NHS），你平均要等待944天之久。肝臟、肺和其它的器官同樣供不應求。移植組織的缺乏，據估計是美國的頭號死亡原因。在美國，每年約有90萬死亡案例，或者三分之一的死亡案例，可通過器官或者工程化組織的移植避免或者延遲。可想而知，移植器官的需求極其之大。

生物墨水

Cellink的兩位聯合創始人埃裡克·加藤霍爾姆和赫克託·馬丁內斯

加藤霍爾姆的父親介紹其正在攻讀組織工程學博士學位的學生赫克託·馬丁內斯（Héctor Martínez）和也參與集體研討的另一位學生伊凡·圖爾尼爾（Ivan Tournier）給他認識。「我們當時在討論展開一些實驗。」現年27歲的加藤霍爾姆表示。

 「於是我跟他們說，『我們為什麼不上網購買我們所需要的列印墨水呢？』伊凡說，『沒有墨水，你買不到。』我說，『什麼意思？』這是我聽到過的最愚蠢的話。市面上有一大堆印表機，購買墨水就行了。他說，『不，你沒懂我的意思，是買不到墨水。你得自己製造，你得混入某種東西。』然後我就說，『那就自己製造墨水吧！』」

Cellink正是誕生於2016年1月的這個靈感突然閃現的時刻。儘管該技術是科幻小說中的東西，但其經營理念類似於經典的「剃刀與刀片」。在該歷史悠久的模式中，你實際上就是將剃刀贈送出去，然後通過可調換式刀片反覆賺錢。噴墨式印表機同樣如此：大家都知道，真正賺錢的地方是，墨水盒更換。

在生物列印領域，加藤霍爾姆和馬丁內斯開發了全球首款標準化生物墨水（bioink），並將其推出市場：它主要由一種名為納米纖維素藻酸鹽的材料製造而成，該材料部分提取自海藻。如果你有3D生物印表機，那該墨水就是你可以直接購買的現成產品。

Cellink的影響力可謂不同凡響，尤其是考慮到它才誕生不久。該公司已經贏得了一系列創新和創業方面的獎項，還獲得瑞典版《龍穴之創業投資》（Dragons』 Den）真人秀節目的資助。成立僅僅10個月，加藤霍爾姆便進入股票市場，在納斯達克First North市場掛牌上市。其IPO（首次公開招股）的超額認購比例達到令人膛目結舌的1070%。

我在哥德堡會見加藤霍爾姆的時候，他似乎還在思考該如何利用公司新獲得的資金。Cellink的辦公室一片混亂：地上有塊鐵，釘上掛著西服外套，便於他出席臨時安排的客戶會議。他和32歲的馬丁內斯通常都一天工作16個小時。「沙發躺上去非常舒服。」加藤霍爾姆笑道。他的辦公室實際上沒有坐下來的地方。Cellink的人員團隊擴張太快了，加藤霍爾姆和馬丁內斯都要將他們的座椅讓給新員工。「我們是將它們捐獻給科學。」加藤霍爾姆苦笑著說。

但加藤霍爾姆非常清楚的一點是：現在就是生物列印的時代。「作為一位企業家，你總是得尋找藍海。」他說，「企業家們總是會問，『哪裡有新的領域讓你成為它的代名詞？你能夠佔領它呢？』我想，生物墨水和生物列印就是那樣的新領域。」

他一臉難以置信地搖頭道，「之前竟然沒有人做生物墨水！」

加藤霍爾姆樂於承認的一點是，生物列印是一種超現實的概念，是一種會引發一些倫理擔憂的概念。它的運行原理跟常見的3D列印非常相似：你先利用電腦程式做出你想要製造的東西的虛擬形態，然後讓印表機一點一點地將它列印成為成品。但不同於只能列印出珠寶、小雕像、汽車部件等無生命物體的普通3D印表機，生物印表機帶來了創造活的組織的可能性。

一開始，這可能意味著列印皮膚或者軟骨，這些屬於相對簡單的結構，在體外生長也比較簡單明了。然而，該技術的先驅們認為，最終他們將能夠從頭打造複雜的器官，比如心臟和肝臟。這些器官到時候或許可以應用於人類的移植。

全球各地的研究

全球各地的科學家和商業公司都在涉足該類項目。事實上，某種競賽已經打響。聖地牙哥的Organovo自2007年便開始進入該領域，也已經在列印肝臟、腎臟和心臟肌肉上取得一定的成功。2015年，它宣布與化妝用品巨頭歐萊雅（L』Oréal）達成合作，計劃提供3D列印皮膚。他們的最終目標是免去進行動物試驗的需要。

歐萊雅正在投入大量的資源來發展生物列印項目。去年9月，該公司透露，它的科學家也在與法國創業公司Poietis展開合作。這一次的目標是，打造合成毛囊。該項目實際上極其複雜：每個毛囊有超過15種不同類型的細胞，涉及一個需要在試管裡進行催化刺激的纖維生產的循環過程。

不少人都作過這方面的嘗試，最後都宣告失敗。但歐萊雅和Poietis相信他們正接近於攻克該項目。關鍵在於Poietis所開發的生物印表機：大多數的機器通過噴嘴來擠壓出生物墨水；而他們的機器使用逐個存儲細胞的雷射，每秒可滴出1萬滴，而且完全不會損害到細胞。「它的運作方式實際上非常簡單，類似於噴墨列印。」Poietis的CEO兼首席科學官法比安·吉列莫特（Fabien Guillemot）在公布該合作的視頻中解釋道，「通過連續不斷地在一個表面上分層堆放細胞微滴，它能夠列印出3D結構，在這一用例中是列印生物組織。」

Poietis將它的創新技術稱作4D生物列印。「第四個維度是時間。」吉列莫特說道。「由於我們的雷射輔助生物列印技術基本上能夠一次列印一個細胞，它使得我們可以引導細胞和它們所在的環境之間的交互，直至它們形成我們想要的生物學功能。」

中短期而言，歐萊雅希望它的防曬霜和抗衰老精華液將會變得更加有效，因為它現在能夠在一種可像人類皮膚那樣發生反應的材料持續不斷地測試產品。也許，將來使用它的洗髮露以後你的頭髮會變得更加光澤亮麗。但顯而易見的是，這類技術的影響力可能遠不局限於超市中的化妝品區域。

如果皮膚能夠在實驗室中列印出來，不難想到它將會被應用於治療嚴重燒燙傷的皮膚。目前，皮膚移植手術是最常見的皮膚燒燙傷治療方式，但它會導致出血和感染，復原時間也通常很長。

與此同時，合成毛囊的開發似乎為可減少脫髮的商用產品或者移植奠定基礎。「很顯然，我們的未來目標是，能夠利用試管中創造的毛囊系統測試創新性分子，」歐萊雅研究與創新部門的何塞·科託維奧（José Cotovio）指出，「以及提升我們對於頭髮衰老、脫髮、頭發生長等現象背後的關鍵過程的理解。」

倫理擔憂

這還只是冰山一角——其他的研究者正在探究如何製造人類器官。「生物列印對於人類而言有著巨大的好處。」加藤霍爾姆表示，「你會死亡是因為你的器官會變壞。這就是你會死的原因。如果我們能夠開始更換體內的器官，那我們或許能夠延長我們的壽命……那太酷了！」

我們距離讓這些研發變成現實還差一點。但差得並不是很遠：加藤霍爾姆認為，生物列印皮膚可能還有5年就可以實現。「10年內，我們將開始看到一些軟骨植入案例，不管是部分軟骨還是整個軟骨的植入。」他說，「器官更換，在我們的有生之年可以實現。」他笑著補充道：「在我們的有生之年可以實現。」

不可避免地，生物列印已經引發了一些倫理擔憂。它們包括：擔心人造皮膚和植入物的質量和有效性，指責生物列印將會讓人類「扮演上帝的角色」。對於這些問題，最全面的調查也許是愛丁堡大學科技與創新研究系的團隊所進行的一項調查。

該由兩位博士尼基·韋爾默朗（Niki Vermeulen）和吉爾·哈多（Gill Haddow）領導的研究團隊對於像《科學怪人》中生物列印出來的怪物這樣的恐怖科幻片幻想並不感到擔憂。「假如上帝存在，上帝能夠創造和影響生命，那現在就已經有很多的技術讓人類能夠扮演上帝的角色，比如遺傳學。」哈多說道，「生物列印技術讓人們可以做出一些小的器官組織來用於醫療應用。」

成本問題

他們認為，3D生物列印技術需要克服的一個更大的障礙是成本問題。人們容易寄望於製造人造器官的能力將會解決長長的器官移植等候者名單的問題，但那不大可能會發生。「這是一項極其昂貴的技術，要是它能實現，那也將只有少部分人能夠承擔費用。」韋爾默朗警告稱，「當前存在的健康不平等和各地的醫療保健待遇差異，可能也將會讓很多人用不到該項技術。」

他們總結道，目前英國國家醫療服務體系、美國醫療保健體系和其它地方需要器官移植的病患所面臨的問題和手術延遲，「在生物列印時代也將會延續。」

 「你可能會想，將相對便宜的生物印表機出口到醫療保健體系不完善的國家地區，就能夠讓人們獲得像這樣的機器可帶來的治療。但事實上，這些印表機只能夠用於有能力利用它們的醫療保健基礎設施當中。」

蘇黎世應用科技大學運轉中的RegenHU 3D生物印表機

成本毫無疑問是3D生物列印發展初期的攔路虎。EnvisionTEC的3D Bioplotter、RegenHU』的3DDiscovery等最好的機器定價都超過15萬英鎊，因此，它們通常只能在高校實驗室裡看到。然而，Cellink也渴望改變一下這種局面。雖然它是從提供生物墨水起家，但沒多久它也進入了硬體市場。加藤霍爾姆的辦公室裡放著「Bob」，Bob是Cellink開發的Inkredible+ 3D生物印表機的暱稱，他常常將它帶到各種貿易展會展示。

Cellink打造的3D生物印表機，比酒店房間的小冰箱還小

Inkredible+是一臺很有吸引力的機器：體積略小於酒店房間的小冰箱，乾淨，採用白色設計，配備藍色LED燈。但它真正吸引眼球的地方在於它的價格。Cellink打造了三款3D生物印表機，售價從7600英鎊到2.99萬英鎊不等。加藤霍爾姆解釋道，他們之所以能夠節省製造成本，部分因為他們使用划算的3D印表機部件，而不是超昂貴的電動機導軌系統。另外，這也與「剃刀與刀片」商業模式相契合：Cellink知道，擁有3D生物印表機的人越多，它銷售的生物墨水就會越多。

加藤霍爾姆很自豪他的公司正在促使3D生物列印成本下降。Cellink的客戶包括麻省理工學院、哈佛大學、英國倫敦大學學院等知名高校，與此同時，它也向業餘愛好者提供該項新技術。加藤霍爾姆不知道這些人將會如何利用他們的機器和墨水——也許是為了列印組織來測試藥物，或者為了從生癌的腫瘤提取細胞，然後研究通過各種嘗試找到最佳的治療方案——但這也正是該新技術令人興奮的地方。

 「因為我們的產品，很多的大型生物科技公司都覺得很不爽。」加藤霍爾姆說，「但老實說，消費者才是驅動市場的人，消費者想要得到我們的產品。就我們而言，我不知道癌症的治療辦法將會在哪裡誕生。我不知道它會誕生於印度、日本、南美洲還是紐約，但我們想要給予每一個人研究治療辦法的機會。」

列印人類心臟的挑戰

我們為什麼會想要生物列印心臟呢？

除了幾何結構以外，心臟是人體中複雜程度最低的器官之一。它不會像肝臟和腎臟那樣進行複雜的生物化學反應，它的運作原理也已經為科學家所理解，不同於大腦等其它的器官。基於此，心臟理論上可能是最容易進行生物列印的器官之一，因此很適合生物列印行業從它來著手。在歐洲，有3500人在等候進行心臟移植，當中不少人需要新的心臟已經超過兩年時間。

如何生物列印心臟？

最有希望的方法可能是生物列印的細胞支架。生物印表機會先被用於列印可生物降解的心臟支架結構（相當於細胞的骨架），而不是像要列印塑料或者金屬的3D印表機那樣，一層層列印活細胞來形成3D結構。這種支架會模擬心臟的細胞外基質，後者可為細胞提供結構性支持，以及幫助引導它們到達它們應該到達的地方。接著，心臟細胞會被列印到支架中，在支架裡面，它們會進行交互，並連結形成心臟的結構。在細胞融合到心臟的整個結構中以後，支架就可以拆解掉，留下可用於移植的全功能心臟。這種技術確實已經存在，儘管應用範圍還比較小。有個支架曾被用於生物列印一小塊的工作心肌，它被證明能夠修復老鼠因心臟病發作而受損的心臟。

我們為什麼還無法生物列印出心臟來？

生物列印一小塊的肌肉和生物列印整個心臟完全是兩碼事。但為什麼會這樣呢？打造完整的器官有一難題需要解決：血管。所有的血管都被證明難以通過生物列印技術製造出來，而製造直徑比最小細胞還小的毛細血管更是幾無可能。製造出可行的血管系統會是一項非常了不起的成就，美國宇航局（NASA）甚至要為首個能夠做到的研究團隊提供50萬美元的獎金。它發起的血管組織挑戰賽將會向可在試管中存活30天，帶有全功能血液系統的1釐米厚人體組織的製造者授予獎金。

我們距離生物列印人體器官還有多遠？

器官生物列印什麼時候才會變得可行呢？業界的預測各不相同，有個團隊聲稱他們將能夠在6年內生物列印出心臟。沒有人知道這些技術將會被認證為可安全用於人類移植的確切時間。然而，鑑於當前從事3D生物列印行業的研究科學家不在少數，加之這一到2021年規模預計將超過13億美元的行業已經取得不少的進展，可以確定它離我們並不是很遙遠。（樂邦）

本文來源：網易科技報導 責任編輯：姚立偉_NT6056