我们距离3D打印活器官还有多远？

来源：本站原创 2020-03-14 09:15

2020年3月14日讯 /生物谷BIOON /——研究人员可以打印出构成人体组织的细胞和生物材料，但要使功能齐全的器官能够正常工作，还有很长的路要走。多年来，科学家们预测一直被用来做玩具、房屋、科学工具甚至一个塑料小兔子的3D打印在未来某一天可能被用于打印活的人体器官来减轻捐献器官的短缺。到目前为止，研究人员还在医学和牙科领域使用3D打印技术来制作种植体、义齿

2020年3月14日讯 /生物谷BIOON /——研究人员可以打印出构成人体组织的细胞和生物材料，但要使功能齐全的器官能够正常工作，还有很长的路要走。

多年来，科学家们预测一直被用来做玩具、房屋、科学工具甚至一个塑料小兔子的3D打印在未来某一天可能被用于打印活的人体器官来减轻捐献器官的短缺。到目前为止，研究人员还在医学和牙科领域使用3D打印技术来制作种植体、义齿和模型，供外科医生在切割病人之前进行练习。但是，许多研究人员已经超越了用塑料和金属打印--用细胞打印，然后形成活的人体组织。

目前还没有人打印出功能齐全、可移植的人体器官，但科学家们离这一目标越来越近，他们正在制造可用于药物测试的组织块，并设计出克服再造人体复杂生物学挑战的方法。

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第一步

第一台3D打印机是在20世纪80年代末研制出来的。它可以打印使用计算机辅助设计(CAD)软件设计的小物体。一个设计将被切成只有千分之三毫米厚的层。然后，打印机会把这个设计整合成一个完整的产品。

有两种主要的策略，打印机可以分层纹理定制：它可以通过一个非常精细的顶端挤出糊状物，从底层开始一层层打印。或者是嵌入式打印技术，它可以从一个装满树脂的容器开始，使用一个尖端的激光来固化树脂的部分，从上到下创建一个固体物体，它将从周围的树脂中被举起和移除。

当涉及到打印细胞和生物材料来复制身体部分和器官时，同样的两种策略也适用，但是以这种方式处理生物材料的能力需要来自细胞生物学家、工程师、发育生物学家、材料科学家和其他方面的投入。

到目前为止，科学家们已经在芯片上打印出了组织的微型器官和微流体模型。两者都对人体功能产生了实践和理论上的研究帮助。其中一些模型被制药公司用来测试药物，然后进行动物研究，最后进行临床试验。例如，一组在芯片上打印心脏细胞，并将其连接到生物反应器上，然后使用它来测试一种著名的抗癌药物阿霉素的心脏毒性。研究小组发现，接触这种药物后，细胞的搏动率急剧下降。

然而，科学家们还没有制造出能够真正复制人体组织无数结构特征和功能的器官。犹他大学(University of Utah)的生物工程师Robby Bowles指出，"有许多公司正在尝试做3D打印耳朵之类的事情，"研究人员报告说，他们将3D打印的耳朵移植到患有先天缺陷、导致耳朵发育不全的儿童身上。他说，耳朵移植"可以说是医学3D打印概念的首次验证"。

Bowles补充说，研究人员距离打印出可以移植到活体组织中的更复杂的组织和器官还有"一段路要走"。但是，对许多科学家来说，这正是他们的目标。根据器官共享联合网络(United Network for organ Sharing)的数据，截至2020年2月，美国有超过11.2万人在等待器官移植。每天大约有20人死亡。

许多年来，生物工程师们试图构建三维支架--他们可以植入干细胞，最终分化长成器官的形状，但"在很大程度上这些技术不允许你引入正常组织中的组织梯度和模式，" Bowles说道。"无法控制细胞在组织中的去向。相比之下，3D打印技术使研究人员能够非常精确地控制细胞的位置，这一技术可以更好地控制器官的发育。

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分化

理想情况下，3D打印器官将由患者免疫系统能够识别的细胞构成，以避免免疫排斥和患者需要服用免疫抑制药物。这样的器官可能是由患者特异性诱导的多能干细胞构建的，但一个挑战是让这些细胞分化成构建特定器官所需的成熟细胞亚型。Bowles说："难点在于将细胞和生物材料组合在一起，产生复杂的模式，从而产生不同组织和器官的不同功能。"

为了模仿在体内的模式，科学家们用分子信号和梯度将细胞打印到水凝胶或其他环境中，以诱导细胞组织成栩栩如生的器官。科学家们也可以用3D打印技术来制造这些水凝胶。伊利诺伊大学(University of Illinois)的生物工程师Eben Alsberg表示，通过其他技术，"获得的模式通常是二维的。三维生物打印允许在3D中对信号的表达进行更多的控制。"

到目前为止，研究人员已经制造了一些组织块，它们可以模仿某些器官的某些部分，但还没有成功地复制出一个完整器官的复杂性或细胞密度。但对某些病人来说，即使是一个贴片也可能是一种有效的治疗方法。2016年底，一个叫Organovo公司宣布启动一个程序开发3D打印人类移植肝组织的一项研究表明，移植后的3D打印的肝细胞在遗传肝病小鼠体内正常生长，一些生物标记物得到改善，表明肝功能得到改善。

脉管系统

直到最近几年，研究人员才开始在3D打印器官的最大挑战之一：血管系统的创建上取得进展。在Organovo的研究中，这些补片被移植到小鼠的肝脏后，血液由周围的肝脏组织输送到肝脏，但整个器官需要为血液流动做好准备。

Prellis Biologics组织工程高级主管Courtney Gegg表示："任何细胞要想存活，(器官)都需要血液供应，所以它不可能只是这么大一块组织。"Prellis Biologics制造并销售支持3D打印组织的支架。"这被认为是关键问题之一。"

Wyss研究所的生物工程师Mark Skylar-Scott说，这个问题"阻碍了组织工程几十年"。但在2018年，Sebastian Uzel、Skyra-Scott和Wyss研究所的一个团队成功地用3D打印技术打印出了一个微小的、跳动着的、有血管的心室。Uzel说，他在打印这些组织几天后来到实验室，发现了一块正在抽搐的组织，这既"可怕又令人兴奋"。

该团队使用了嵌入式打印技术，而不是分层纹理打印，这种技术不是从滑梯底部向上构建，而是直接将材料挤压到浴缸或基质中。Skyra-Scott说，这种允许研究人员打印"3D自由形态"的方法，是一种更有效的打印血管树的方法。本例中的基质是构成心室的细胞材料。一种类似明胶的墨水将这些细胞轻轻推开，形成了一个通道网络。一旦打印完成，组合就被加热了。高温会使细胞基质凝固，但明胶会液化，这样就可以冲洗掉，为血液留下流动的空间。