3D生物打印实现器官完全“自主存活”还要多久？

Original 药明康德AI 药明康德AI 2021-01-27

药明康德AI/报道

人体组织器官的最大弱点之一就是，不能再生。一旦由于各种事故导致器官不可逆损伤或病变，除了找到血型一致的器官捐献者外，患者只能承受器官损伤或病变所带来的痛苦甚至死亡。但是，找到血型一致的器官何其困难！以最常见的心脏移植为例，全球每年大约有1790万人因为各种心脏疾病而死亡，而相应的器官移植比例仅占0.04%。器官移植面临着巨大缺口。那么，为什么不用3D打印技术打印一个呢？

图片来源：参考资料[3]

早在二十多年前，科学家们就设想建立这样一个先进的、高度自动化的3D生物打印技术平台。若这项技术能够发展成熟，无疑能够解决器官移植领域长期存在的供体短缺和免疫排斥反应等多方面的问题，为患者带来福音。但理想很丰满，现实却很骨感，直至今日3D生物打印技术所取得的重大突破仍十分少，到底是什么原因呢？

来自新加坡科技大学（Singapore University of Technology and Design）、南洋理工大学（Nanyang Technological University）和亚洲大学（Asia University）的研究人员近日在《高分子科学进展》（Process in Polymer Science）杂志上发表《说好的给我打印一个器官——为何还没做到？》的综述文章。文章概览了3D生物打印、生物墨水的发展以及新应用，并着重分析了现阶段3D生物打印技术的进展以及所面临的机遇和挑战。

目前，主流的3D生物打印技术可分为五大类：挤压生物打印、有限元生物打印、喷墨生物打印、激光辅助生物打印和微型阀生物打印，其他的复杂的生物打印还包括双光子聚合，微流体印刷和声学生物打印。

▲ 主流的五大类3D生物打印技术的优缺点比较（图片来源：参考资料[2]）

不过技术虽酷炫，却都离不开生物墨水的“支持”。不同技术所用墨水不同，有的是细胞封装用的水凝胶，有的是细胞悬浮液等，这些生物墨水给生物学家建立了一个可操纵的生化微环境。

生物墨水可大致分为两种，天然的（如藻酸盐，胶原蛋白、透明质酸等）和非天然的（如聚已酸内酯等）。这两大类墨水各有其优缺点，非天然的虽性能不错，但是其分子量大且在人体中无法完全降解，生物活性便会因此大打折扣；天然的虽好，但交联（一种类似于“黏合”的生化过程）困难，需要的条件严苛，且不能保证细胞活性的同时还可进行交联过程。论文作者预测，未来多种生物墨水组合使用或者新材料研发有望解决上述难题。

图片来源：Pixabay

另外，组织工程的主要目标是重新设计和模拟微环境，提供生物化学和特异性的复杂结和位点组合，以指导细胞在组织成熟过程中的粘附、增殖和分化。3D生物打印技术发展整体遇到两大瓶颈，一是组织培养技术不够完善，无法保证细胞活性以及器官生物功能，二是血管化问题。

血管是个复杂的网状供血和供养结构，而且其细胞构成通常与所在器官的细胞有很多不同（血管属于结缔组织），因此，直接3D打印目前未实现。虽然可以用成熟的血管通过浸润的方式，使打印器官具有部分活性，但现阶段的技术仍还达不到器官移植的要求。

不过，使用互补方案，如动态共培养灌注系统，则可确保“人造器官”的装配和成熟。虽然现有的一些技术已能打印出具有生物活性的“人造器官”，可由于缺乏合适的共培养的培养基去支持组织中的多种类细胞，所以要在互补方案的基础上进行3D打印器官移植，方法仍需进一步优化。

图片来源：Pixabay

总的来说，3D生物打印技术目前仍处于初级发展阶段，但论文作者们认为其近年来已取得了巨大进步，且对其未来发展持积极乐观的态度。为推动这一前沿医学科技的发展，找到适合组织特异性的生物墨水、解决组织或器官成熟过程中所面临的技术难题，是需要科学家们在未来的时间里不断挑战的。

以下为大家简单回顾今年科学家们在3D打印器官领域所取得的成就：

4月，引起轰动的世界首个3D打印的人造心脏诞生。以色列特拉维夫大学（Tel Aviv University）的研究团队通过使用人类的脂肪组织，成功3D打印出一颗具有细胞、血管、心室和心房的“人造心脏”。这颗心脏是集生物学家、材料学家以及计算机科学家智慧的结晶，不过限于技术的局限，其大小只有兔子心脏一般大。按照研究团队的计划，他们预计会在2020年上半年开启动物实验，研究这种人造心脏用于器官移植的可行性。

5月，美国莱斯大学（Rice University）与华盛顿大学（University of Washington）主导研究，用水凝胶3D打印而成一个可以模拟肺功能的气囊，其外形与人的肺部相似，可以给周围的血管输送氧气，且这款会“呼吸”的人造器官本身的“血管结构”具有足够的硬度，不会因为血液流动而破裂。

图片来源：Rice University

8月，卡耐基梅隆大学（Carnegie Mellon University）的科学家再次突破生物材料的技术障碍，开发出一种全新的“FRESH技术”（悬浮水凝胶的自由可逆式嵌入技术），他们用胶原蛋白作为生物墨水，打印出了具有更高分辨率、图案更复杂的、会跳动的“心脏”。该技术的诞生同时也验证了多种生物材料用作生物墨水的可行性。

11月，仁斯利尔理工大学（Rensselaer Polytechnic Institute）的研究人员则采用3D打印技术生物打印出了完整的有血管的活性皮肤，解决了皮肤移植领域如何让受损肌肤创面与植入物更好地贴合的难题。该研究的是人类创造出更自然的皮肤移植方式所迈出的重要一步，人体移植排斥反应（影响移植物存活的主要因素之一）也有望得到改善。

图片来源：Pixabay

或许这几个较有代表性的技术进展恰好可以说明论文作者的积极乐观源于何处。总之，在3D生物打印领域，我们期待听到更多技术进展；从过去到现在，很多十年前的不敢想，十年后便已超出想象，医疗科技发展日新月异，或许用不了十年，科学将会再次颠覆我们的想象。

题图来源：Pixabay

参考资料（可上下滑动查看）

[1] Print me an organ -- Why are we not there yet? Retrieved Dec 12, 2019

from https://eurekalert.org/pub_releases/2019-12/suot-pma121019.php

[2] Wei Long Ng, Chee Kai Chua, Yu-Fang Shen, Print Me An Organ! Why We Are Not There Yet, Progress in Polymer Science, Volume 97,2019,101145,ISSN 0079-6700,

from https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S007967001930156X?via%3Dihub

[3]Nadav Noor et al., (2019), 3D Printing of Personalized Thick and Perfusable Cardiac Patches and Hearts, Advanced Science, DOI: https://doi.org/10.1002/advs.201900344

[4] 'First' 3-D print of heart with human tissue, vessels unveiled Retrieved Apr.16, 2019

from https://medicalxpress.com/news/2019-04-d-heart-human-tissue-vessels.html

[5] Organ bioprinting gets a breath of fresh air Retrieved May 2, 2019

from https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-05/ru-obg042619.php

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