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专家评论:3D生物打印人类心脏不久将实现!

苏黎世联邦理工学院工程师研制的3D打印硅质心脏

苏黎世联邦理工学院工程师研制的3D打印硅质心脏

  新浪科技讯 北京时间10月2日消息,据国外媒体报道,近年来,科学家大力研制3D打印机,用于3D打印制造人类器官,虽然这项技术的种种可能性令人感到兴奋,但是已有科学家开始担心3D打印机会让人类“扮演上帝的角色”。目前,英国《卫报》“观察者专栏”作家蒂姆·路易斯(Tim Lewis)撰文深入分析了3D生物打印机发展现状及未来前景。

  科学家埃里克·加藤霍尔姆(Erik Gatenholm)第一次看到3D生物打印机是2015年初,他的父亲保罗·加藤霍尔姆是瑞典哥德堡查尔姆斯理工大学化学与生物聚合物技术教授,他的父亲给他买了一台生物3D打印机,价格大约在20万美元左右,当时,埃里克的父亲惊讶地说,“这东西能够打印人类器官?”现在埃里克回忆到这一幕,他仍感觉惊奇不已。他说:“这东西也能打印出人体器官,简单是胡说八道!”但很快该设备打印出一个小软骨,虽然它并不是真正意义上的软骨组织,但从外形上看已非常接近,让人感觉它就是一块软骨,那一刻,我觉得这台生物打印机太酷了!

  拥有3D打印机的埃里克很早就希望在3D生物打印领域做点事情,他是在瑞典和美国长大的,他的父亲在美国是一位客座教授,年轻时埃里克就充满信心,在18岁那年建立了自己第一家生物科技公司,当时他意识到如果该设备能够打印人类器官,就像他父亲所说的那样,那么它就有潜力彻底改变医疗行业。

  用于拯救生命的器官移植在全球各地都非常紧缺,例如:在英国国家医疗服务系统(NHS)进行肾脏移植,患者等待人体器官移植平均需要944天,超过两年半的时间,类似的紧缺情况还出现在肝脏、肺和其它器官的移植。在美国,缺少移植器官可能是美国患者死亡的头号原因,美国每年大约有90万人死亡,其中三分之一死亡事件是由于器官或者设计化组织移植遭到受体拒绝或者时间延迟导致的,可想而知当前移植器官的需求非常大。

如图所示,Cellink 3D生物打印机大小不足一台宾馆迷你冰箱

如图所示,Cellink 3D生物打印机大小不足一台宾馆迷你冰箱

  生物墨水的出现

  埃里克的父亲将他介绍给赫克托·马尔蒂内斯(Héctor Martínez)和伊凡·图尔尼尔(Ivan Tournier),赫克托和伊凡都是埃里克父亲的学生,27岁的埃里克说:“我和他们在一起讨论进行一些实验,我曾提及为什么不在网上购买打印墨水呢?”伊凡表示,“网上没有销售的打印墨水,你无法购买。”当时,埃里克就置疑地说:“这是什么意思?这是我听到最愚蠢的话,市面上有一大堆打印机,购买墨水应当非常容易。”伊凡说:“你没有听懂我的意思,在网上真的买不到墨水,这需要你自己制造,你需要在打印墨水中添加一些物质。”埃里克说:“那好吧,我就自己制造墨水!”

  Cellink诞生于2016年1月,虽然该技术是科幻小说中的内容,但是其经营理念类似于经典的“剃刀与刀片”。在这个历史悠久的经营模式中,实际上就是将剃刀赠送出去,然后在可调换式刀片上进行盈利赚钱。喷墨式打印机也是如此,用户需要多次更换墨水盒。

  在生物打印领域,埃里克和赫克托开发研制了全球第一个标准化生物墨水(bioink),它主要采用纳米纤维素藻酸盐制成,这是从海藻中提取的物质。如果你拥有一部3D生物打印机,那么你只需直接购买这种成品墨水。

  生物墨水具有很大的影响力,尤其考虑到它才诞生不久,其商业公司已获得许多奖项,例如:创新奖、最佳企业家奖等,同时,生物墨水还获得瑞典版“龙穴之创业投资”真人秀节目的资助。生物墨水发布仅10个月,埃里克创办的公司便进入股票市场,在纳斯达克股票市场挂牌上市,首次公开募股就超额认购1070%。

图中是Cellink合伙人埃里克和赫克托

图中是Cellink合伙人埃里克和赫克托

  作者蒂姆在瑞典哥德堡会见埃里克的时候,埃里克似乎仍在思考如何利用公司最新获得的流动资金,坦白地讲,埃里克的办公室非常混乱,地面上有一块铁,西服外套挂在墙面钉子上,这件外套便于他出席临时安排的客户会议。通常他和32岁的赫克托每天工作16个小时,埃里克笑着说:“这个沙发非常适合睡觉,躺着很舒服。”实际上埃里克的办公室并没有地方可以坐下来,生物墨水项目团队人员扩张速度太快,埃里克将自己的椅子让给了新员工,他苦笑说:“我是将它们捐献给了科学。”

  但是埃里克非常清楚:现在是生物打印的时代。他说:“作为一名企业家,你总是寻找蓝海,企业家们总会问:‘哪里有新的领域让你成为它的代名词?你能占领这一新领域吗?’我认为生物墨水和生物打印技术就是这片蓝海。”

  埃里克一脸难以置信摇头说:“之前没有人制造生物墨水!”

  生物打印是埃里克欣然接受的一种超现实概念,但是生物打印也会引发某些伦理道德问题。它的运行原理与常见的3D打印十分相似:最初你可以使用计算机程序制造出一个虚拟形态结构,然后使用打印机逐渐打印形成成品,有时是预先一个脚手架,最终打印完成。但是生物打印不同于打印珠宝、小雕像或者汽车部件,生物打印技术潜在形成活体组织。

  最初,这可能是打印皮肤或者软骨,它们是相对简单的结构,非常明确的是它们可以在身体外部生长。然而,生物打印技术的先驱者认为,他们未来可以打印制造完整的器官,例如:心脏和肝脏,实现从无到有制造一个完整的器官,甚至可用于人体器官移植手术。

  生物打印技术全球化发展

  目前,全球各地的科学家和商业公司都已涉足生物打印技术,事实上从某种意义上,某种竞赛已经打响,位于美国圣地亚哥的“器官创新(Organovo)”公司从2007年就进入生物打印领域,该公司已成功打印部分肺、肾脏和心脏肌肉组织。2015年,器官创新公司宣称,与化妆品巨头欧莱雅公司达成合作,计划提供3D打印皮肤,最终目标是免除动物实验的需要。

  欧莱雅公司正在投入大量资源研发生物打印项目,2016年9月,该公司透露称,公司的科学家与法国Poietis公司建立合作关系,旨在制造合成毛囊。据悉,该项目实际上非常复杂,每个毛囊包含着15种不同类型的细胞,这是纤维制造的一个周期过程,需要在试管中进行催化刺激。

  许多人都在这方面进行过尝试,最终都宣告失败。但是欧莱雅和Poietis公司相信他们正在接近攻击这一项目。关键在于Poietis公司开发的生物打印机,大多数机器通过喷嘴挤压出生物墨水,而它们使用激光逐个存储细胞,每秒可滴出1万滴,而且完全不会损害到细胞。Poietis公司首席科学主管法比安·吉列莫特(Fabien Guillemot)在合作视频中解释称,通过连续不断地在一个表面上分层堆放细胞微滴,它能够打印出3D结构,它可以用于打印生物组织。

图中是苏黎世理工大学应用科学系研制的RegenHU 3D生物打印机

图中是苏黎世理工大学应用科学系研制的RegenHU 3D生物打印机

  Poietis公司将其创新技术称为4D生物打印,埃里克说:“第四维度是时间,由于我们激光辅助生物打印技术基本上一次只能打印一个细胞,这将使我们能够引导细胞和环境之间的交互性,直至它们形成我们想要的生物学功能。”

  从中短期角度来讲,欧莱雅公司希望它们制造的防晒霜和抗衰老精华液能够更有效,因为这些产品可以在类似人类皮肤的打印材料上反复地测试,或许未来欧莱雅公司研制的新型洗发露会使人们的头发变得更加光泽美丽。但显而易见的是,此类技术的影响力可能远不局限于超市的化妆品销售区。

  如果皮肤能够在实验室里打印,那么不难想像这种打印皮肤可用于治疗严重烧烫伤患者的皮肤。目前皮肤移植手术是最常见的皮肤烧烫伤治疗方法,但是治疗过程中会出血和感染,并且通常恢复时间很长。

  同时,合成毛囊的开发似乎开辟了减少脱发或者移植的商用产品新途径。欧莱雅公司研究创新部门何塞·科托维奥(José Cotovio)称,很显然,我们未来的目标是利用试管中制造的毛囊系统测试创新性分子,以及通过该方法提升我们对头发衰老、脱发、生发等现象背后关键过程的理解认识。

  这仅是冰山一角,目前其他研究人员正在积极研究如何制造人类器官,埃里克说:“生物打印将对人类带来巨大的益处,一些人死亡是由于器官衰竭,这是他们死亡的原因,如果我们能够替代这些衰竭人体器官,或许能够延长人类寿命,那就太棒了!”

  我们实现以上目标仍有一定的差距,但并不遥远。埃里克认为,生物打印皮肤可能还有5年就能实现,10年之内,我们将开始看到一些软骨植入病例,可能是部分软骨或是整个软骨植入。他充满信心笑着说:“3D打印人体器官,在我们有生之年是可以实现的!”

  然而不可避免地生物打印会产生一些伦理问题,其中包括:人们担心人造皮肤和3D打印植入物官的质量和有效性,并谴责生物打印技术使人们“扮演上帝的角色”。对于这些负面效应,最全面的调查报告可能是英国爱丁堡大学科技创新研究系一支团队进行的。

  该项目负责人是尼基·韦尔默朗(Niki Vermeulen)和吉尔·哈多(Gill Haddow),他们领导的研究团队对于像《科学怪人》中生物打印出来的怪物并不感到恐惧,他们说:“如果上帝存在,上帝可以创造和影响生命,那么现在就会存在许多技术,让人类能够扮演上帝的角色,例如:遗传学。生物打印技术可帮助人们制造一些较小人体器官,用于医疗应用。”

  3D生物打印技术需要克服的更大障碍就是成本问题,虽然该技术为人们带来希望,制造的人造器官或许能够解决器官移植患者长期排队问题,但就目前来看,这一希望很难实现。3D生物打印是成本很高的技术,如果它能实现,那也是少数人可以承担起相关费用。尼基警告称,当前存在的健康差异和全球各地医疗待遇不同,会让很多人无法分享到3D生物打印器官。

  简而言之,他们总结称,英国国家医疗服务体系和美国卫生保障体系等其它系统的器官移植患者面临着手术问题和器官延期,这些现状将支持生物打印技术继续向前发展。你可能会想,将相对便宜的生物打印机出口至某些医疗保健不完善的国家和地区,就能让患者们享受到最新技术带来的福音,然而事实上,这些3D生物打印机仅能用于有能力使用它们的健全医疗保健体系之中。

图中是RegenHU 3D生物打印机制造的韧塑性细胞

图中是RegenHU 3D生物打印机制造的韧塑性细胞

  努力降低成本

  成本成为3D生物打印发展初期的“拦路虎”,最好的打印机品牌,例如:EnvisionTEC的3D Bioplotter、RegenHU’的3DDiscovery等定价都超过15万英镑。因此,这些打印机品牌只能在高校实验室里看到,目前,埃里克希望Cellink能够改变一下这种状况。虽然埃里克的公司是从提供生物墨水起家,但是时间不长就进入了打印机硬件市场。埃里克的办公桌旁边摆放着“Bob”,他是将自己宠物的名字命名Inkredible+ 3D生物打印机,这是埃里克公司独立研发的,经常在各种贸易展会上展出。

  Inkredible+是一台非常吸引人的打印机:它的体积略小于酒店房间的小冰箱,采用白色设计,配有蓝色LED灯光,但真正吸引顾客的是它的价格并不高。Cellink公司制造了3款3D生物打印机,价格在7600英镑到2.99万英镑之间。埃里克解释称,他们之所以能节约制造成本,部分原因是他们使用了便宜的3D打印机部件,而不是采用成本较高的电机导轨系统。另外,这也和“剃刀与刀片”商业模式相吻合,Cellink公司明白,拥有3D生物打印机的顾客越多,公司销售的生物墨水就会越多。

  埃里克对自己的公司非常自豪,因为该公司能够将3D生物打印机的成本降低,目前该公司的客户群体包括:美国麻省理工学院、哈佛大学、英国伦敦大学学院等高校,同时,公司也向3D打印业余爱好者提供这项新技术。埃里克并不知道客户如何利用他们的打印机和墨水,也许他们是打印“生物组织”测试药物,或者从癌变肿瘤中提取细胞,之后研究各种尝试方法,最终找到最佳治疗方案,这正是该技术存在的真实意义。

  埃里克说:“由于我们3D打印机降低了成本,一些大型生物打印公司对此非常不满,但老实讲,消费者才是驱动市场运行的原动力,他们希望购买到价廉物美的产品。对于我们来说,我们并不知道治愈癌症的方法在哪儿诞生,不知道该方法会出现在印度、日本、南美洲还是纽约,但是我们希望给予每个人机会,让他们去研究和体验。”

  打印人类心脏面临的挑战

  除了几何结构之外,人体最复杂的器官就是心脏。它不会像肝脏和肾脏一样进行复杂的生物化学反应,科学家对其工作原理十分清楚,心脏不同于大脑等其它器官组织,基于这一原因,心脏从理论上是最容易生物打印的人类器官之一,因此非常适合生物打印。目前,欧洲有3500人正在等候进行心脏移植手术,其中许多患者等待新的心脏已超过两年时间。

  我们如何生物打印一颗心脏呢?目前最有希望的方法是生物打印细胞支架,生物打印机会先用于打印可生物降解的心脏支架结构,这相当于“细胞骨架”。这种脚手架能模拟心脏的细胞外基质,细胞外基质可向细胞提供结构支持,并帮助引导它们抵达相应的区域。接下来,心脏细胞将被打印在支架上,在支架里面,细胞彼此进行交互反应,链接形成心脏的结构,在细胞融合到心脏的整个结构中之后,支架就能够拆解,留下用于移植的全功能心脏。目前,这种技术已出现,虽然其应用范围有限,之前有一个支架被用于生物打印一小块心肌组织,被证实可以修复患有心脏病老鼠的受损心脏组织。

  为什么当前我们仍未直接打印出心脏呢?生物打印一小块肌肉和生物打印整个心脏组织是完全不同的事情,这是为什么呢?一个难题是需要解决——血管。目前生物打印很难制造血管,何况对于结构复杂的心脏组织,它包含着直径比最小细胞还小的毛细血管。打印制造血管系统并非一件易事,美国宇航局甚至提供50万美元的资金,用于奖励第一个3D打印出血管组织的科研团队,美国宇航局发起的“血管组织挑战赛”,计划将资金奖励给在试管中存活30天,带有全功能血液系统的1厘米厚人类血管组织。

  我们距离生物打印人类器官还有多远呢?对于评估人类器官生物打印何时实现,业内存在各种预测,其中一支研究团队声称他们能够在6年之内生物打印一颗心脏。目前,没有人知道生物打印技术能够安全有于人类器官移植的准确时间。然而考虑到当前从事3D生物打印的科学家数量较多,同时预计2021年生物打印领域将超过13亿美元的规模,或许我们距离实现3D打印心脏并不遥远。(叶倾城)

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