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3D打印能解决移植器官短缺问题吗?

3D打印能解决移植器官短缺问题吗?

网易科技 丨 行业洞察

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2017-07-31

  大琴

Xtecher特稿作者

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苏黎世联邦理工学院工程师打造的3D打印硅胶心脏

 

文:乐邦 /来源:网易科技


7月31日消息,《卫报》网站撰文指出,我们距离3D生物打印人体器官还有多远呢?该技术能否解决移植器官短缺问题呢?科学家们正在努力利用3D打印机来制造替代性人体器官。不过,虽然该技术的种种可能性令人兴奋,但现在已经有人担心它会让人类“扮演上帝的角色”。

 

以下是文章主要内容:

 

埃里克·加藤霍尔姆(Erik Gatenholm)第一次看到3D生物打印机是在2015年年初。当时,他的父亲、哥德堡查尔姆斯理工大学化学与生物聚合物技术教授保罗(Paul)给家买来了一台。它的价格在20万美元左右。“我的父亲说,‘这东西能够打印人类器官。’”加藤霍尔姆回忆道,如今他仍觉得惊诧不已。“我说,‘胡说八道!’之后,它打印出了一个小小的软骨。它不是软骨,但它看上去让人觉得它可能就是软骨。那一刻,我觉得,‘这简直太酷了!’”

 

很早就拥有一台普通的3D打印机的加藤霍尔姆当时就在想,他想要在3D生物打印领域干出点什么来。他的口音也许有点怪异——他在瑞典和美国长大,他的父亲在美国是一位客座教授——但他的目标和雄心都是经过深思熟虑的。加藤霍尔姆在18岁那年创立了自己的第一家生物科技公司,当时他认识到,如果这台机器有潜力打印器官,就像他父亲说的那样,那它就有潜力彻底改变医疗行业。

 

用于救命用移植的器官在全球各地都非常短缺。例如,在英国,现在要进行肾脏移植的话,通过国家医疗服务体系(NHS),你平均要等待944天之久。肝脏、肺和其它的器官同样供不应求。移植组织的缺乏,据估计是美国的头号死亡原因。在美国,每年约有90万死亡案例,或者三分之一的死亡案例,可通过器官或者工程化组织的移植避免或者延迟。可想而知,移植器官的需求极其之大。

 

生物墨水

 

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Cellink的两位联合创始人埃里克·加藤霍尔姆和赫克托·马丁内斯

 

加藤霍尔姆的父亲介绍其正在攻读组织工程学博士学位的学生赫克托·马丁内斯(Héctor Martínez)和也参与集体研讨的另一位学生伊凡·图尔尼尔(Ivan Tournier)给他认识。“我们当时在讨论展开一些实验。”现年27岁的加藤霍尔姆表示。

 

 “于是我跟他们说,‘我们为什么不上网购买我们所需要的打印墨水呢?’伊凡说,‘没有墨水,你买不到。’我说,‘什么意思?’这是我听到过的最愚蠢的话。市面上有一大堆打印机,购买墨水就行了。他说,‘不,你没懂我的意思,是买不到墨水。你得自己制造,你得混入某种东西。’然后我就说,‘那就自己制造墨水吧!’”

 

Cellink正是诞生于2016年1月的这个灵感突然闪现的时刻。尽管该技术是科幻小说中的东西,但其经营理念类似于经典的“剃刀与刀片”。在该历史悠久的模式中,你实际上就是将剃刀赠送出去,然后通过可调换式刀片反复赚钱。喷墨式打印机同样如此:大家都知道,真正赚钱的地方是,墨水盒更换。

 

在生物打印领域,加藤霍尔姆和马丁内斯开发了全球首款标准化生物墨水(bioink),并将其推出市场:它主要由一种名为纳米纤维素藻酸盐的材料制造而成,该材料部分提取自海藻。如果你有3D生物打印机,那该墨水就是你可以直接购买的现成产品。

 

Cellink的影响力可谓不同凡响,尤其是考虑到它才诞生不久。该公司已经赢得了一系列创新和创业方面的奖项,还获得瑞典版《龙穴之创业投资》(Dragons’ Den)真人秀节目的资助。成立仅仅10个月,加藤霍尔姆便进入股票市场,在纳斯达克First North市场挂牌上市。其IPO(首次公开招股)的超额认购比例达到令人膛目结舌的1070%。

 

我在哥德堡会见加藤霍尔姆的时候,他似乎还在思考该如何利用公司新获得的资金。Cellink的办公室一片混乱:地上有块铁,钉上挂着西服外套,便于他出席临时安排的客户会议。他和32岁的马丁内斯通常都一天工作16个小时。“沙发躺上去非常舒服。”加藤霍尔姆笑道。他的办公室实际上没有坐下来的地方。Cellink的人员团队扩张太快了,加藤霍尔姆和马丁内斯都要将他们的座椅让给新员工。“我们是将它们捐献给科学。”加藤霍尔姆苦笑着说。

 

但加藤霍尔姆非常清楚的一点是:现在就是生物打印的时代。“作为一位企业家,你总是得寻找蓝海。”他说,“企业家们总是会问,‘哪里有新的领域让你成为它的代名词?你能够占领它呢?’我想,生物墨水和生物打印就是那样的新领域。”

 

他一脸难以置信地摇头道,“之前竟然没有人做生物墨水!”

 

加藤霍尔姆乐于承认的一点是,生物打印是一种超现实的概念,是一种会引发一些伦理担忧的概念。它的运行原理跟常见的3D打印非常相似:你先利用计算机程序做出你想要制造的东西的虚拟形态,然后让打印机一点一点地将它打印成为成品。但不同于只能打印出珠宝、小雕像、汽车部件等无生命物体的普通3D打印机,生物打印机带来了创造活的组织的可能性。

 

一开始,这可能意味着打印皮肤或者软骨,这些属于相对简单的结构,在体外生长也比较简单明了。然而,该技术的先驱们认为,最终他们将能够从头打造复杂的器官,比如心脏和肝脏。这些器官到时候或许可以应用于人类的移植。

 

全球各地的研究

 

全球各地的科学家和商业公司都在涉足该类项目。事实上,某种竞赛已经打响。圣地亚哥的Organovo自2007年便开始进入该领域,也已经在打印肝脏、肾脏和心脏肌肉上取得一定的成功。2015年,它宣布与化妆用品巨头欧莱雅(L’Oréal)达成合作,计划提供3D打印皮肤。他们的最终目标是免去进行动物试验的需要。

 

欧莱雅正在投入大量的资源来发展生物打印项目。去年9月,该公司透露,它的科学家也在与法国创业公司Poietis展开合作。这一次的目标是,打造合成毛囊。该项目实际上极其复杂:每个毛囊有超过15种不同类型的细胞,涉及一个需要在试管里进行催化刺激的纤维生产的循环过程。

 

不少人都作过这方面的尝试,最后都宣告失败。但欧莱雅和Poietis相信他们正接近于攻克该项目。关键在于Poietis所开发的生物打印机:大多数的机器通过喷嘴来挤压出生物墨水;而他们的机器使用逐个存储细胞的激光,每秒可滴出1万滴,而且完全不会损害到细胞。“它的运作方式实际上非常简单,类似于喷墨打印。”Poietis的CEO兼首席科学官法比安·吉列莫特(Fabien Guillemot)在公布该合作的视频中解释道,“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,在这一用例中是打印生物组织。”

 

Poietis将它的创新技术称作4D生物打印。“第四个维度是时间。”吉列莫特说道。“由于我们的激光辅助生物打印技术基本上能够一次打印一个细胞,它使得我们可以引导细胞和它们所在的环境之间的交互,直至它们形成我们想要的生物学功能。”

 

中短期而言,欧莱雅希望它的防晒霜和抗衰老精华液将会变得更加有效,因为它现在能够在一种可像人类皮肤那样发生反应的材料持续不断地测试产品。也许,将来使用它的洗发露以后你的头发会变得更加光泽亮丽。但显而易见的是,这类技术的影响力可能远不局限于超市中的化妆品区域。

 

如果皮肤能够在实验室中打印出来,不难想到它将会被应用于治疗严重烧烫伤的皮肤。目前,皮肤移植手术是最常见的皮肤烧烫伤治疗方式,但它会导致出血和感染,复原时间也通常很长。

 

与此同时,合成毛囊的开发似乎为可减少脱发的商用产品或者移植奠定基础。“很显然,我们的未来目标是,能够利用试管中创造的毛囊系统测试创新性分子,”欧莱雅研究与创新部门的何塞·科托维奥(José Cotovio)指出,“以及提升我们对于头发衰老、脱发、头发生长等现象背后的关键过程的理解。”

 

伦理担忧

 

这还只是冰山一角——其他的研究者正在探究如何制造人类器官。“生物打印对于人类而言有着巨大的好处。”加藤霍尔姆表示,“你会死亡是因为你的器官会变坏。这就是你会死的原因。如果我们能够开始更换体内的器官,那我们或许能够延长我们的寿命……那太酷了!”


我们距离让这些研发变成现实还差一点。但差得并不是很远:加藤霍尔姆认为,生物打印皮肤可能还有5年就可以实现。“10年内,我们将开始看到一些软骨植入案例,不管是部分软骨还是整个软骨的植入。”他说,“器官更换,在我们的有生之年可以实现。”他笑着补充道:“在我们的有生之年可以实现。”

 

不可避免地,生物打印已经引发了一些伦理担忧。它们包括:担心人造皮肤和植入物的质量和有效性,指责生物打印将会让人类“扮演上帝的角色”。对于这些问题,最全面的调查也许是爱丁堡大学科技与创新研究系的团队所进行的一项调查。

 

该由两位博士尼基·韦尔默朗(Niki Vermeulen)和吉尔·哈多(Gill Haddow)领导的研究团队对于像《科学怪人》中生物打印出来的怪物这样的恐怖科幻片幻想并不感到担忧。“假如上帝存在,上帝能够创造和影响生命,那现在就已经有很多的技术让人类能够扮演上帝的角色,比如遗传学。”哈多说道,“生物打印技术让人们可以做出一些小的器官组织来用于医疗应用。”

 

成本问题

 

他们认为,3D生物打印技术需要克服的一个更大的障碍是成本问题。人们容易寄望于制造人造器官的能力将会解决长长的器官移植等候者名单的问题,但那不大可能会发生。“这是一项极其昂贵的技术,要是它能实现,那也将只有少部分人能够承担费用。”韦尔默朗警告称,“当前存在的健康不平等和各地的医疗保健待遇差异,可能也将会让很多人用不到该项技术。”

 

他们总结道,目前英国国家医疗服务体系、美国医疗保健体系和其它地方需要器官移植的病患所面临的问题和手术延迟,“在生物打印时代也将会延续。”

 

 “你可能会想,将相对便宜的生物打印机出口到医疗保健体系不完善的国家地区,就能够让人们获得像这样的机器可带来的治疗。但事实上,这些打印机只能够用于有能力利用它们的医疗保健基础设施当中。”

 

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苏黎世应用科技大学运转中的RegenHU 3D生物打印机

 

成本毫无疑问是3D生物打印发展初期的拦路虎。EnvisionTEC的3D Bioplotter、RegenHU’的3DDiscovery等最好的机器定价都超过15万英镑,因此,它们通常只能在高校实验室里看到。然而,Cellink也渴望改变一下这种局面。虽然它是从提供生物墨水起家,但没多久它也进入了硬件市场。加藤霍尔姆的办公室里放着“Bob”,Bob是Cellink开发的Inkredible+ 3D生物打印机的昵称,他常常将它带到各种贸易展会展示。

 

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Cellink打造的3D生物打印机,比酒店房间的小冰箱还小

 

Inkredible+是一台很有吸引力的机器:体积略小于酒店房间的小冰箱,干净,采用白色设计,配备蓝色LED灯。但它真正吸引眼球的地方在于它的价格。Cellink打造了三款3D生物打印机,售价从7600英镑到2.99万英镑不等。加藤霍尔姆解释道,他们之所以能够节省制造成本,部分因为他们使用划算的3D打印机部件,而不是超昂贵的电动机导轨系统。另外,这也与“剃刀与刀片”商业模式相契合:Cellink知道,拥有3D生物打印机的人越多,它销售的生物墨水就会越多。

 

加藤霍尔姆很自豪他的公司正在促使3D生物打印成本下降。Cellink的客户包括麻省理工学院、哈佛大学、英国伦敦大学学院等知名高校,与此同时,它也向业余爱好者提供该项新技术。加藤霍尔姆不知道这些人将会如何利用他们的机器和墨水——也许是为了打印组织来测试药物,或者为了从生癌的肿瘤提取细胞,然后研究通过各种尝试找到最佳的治疗方案——但这也正是该新技术令人兴奋的地方。

 

 “因为我们的产品,很多的大型生物科技公司都觉得很不爽。”加藤霍尔姆说,“但老实说,消费者才是驱动市场的人,消费者想要得到我们的产品。就我们而言,我不知道癌症的治疗办法将会在哪里诞生。我不知道它会诞生于印度、日本、南美洲还是纽约,但我们想要给予每一个人研究治疗办法的机会。”

 

打印人类心脏的挑战  我们为什么会想要生物打印心脏呢?

 

除了几何结构以外,心脏是人体中复杂程度最低的器官之一。它不会像肝脏和肾脏那样进行复杂的生物化学反应,它的运作原理也已经为科学家所理解,不同于大脑等其它的器官。基于此,心脏理论上可能是最容易进行生物打印的器官之一,因此很适合生物打印行业从它来着手。在欧洲,有3500人在等候进行心脏移植,当中不少人需要新的心脏已经超过两年时间。

 

如何生物打印心脏?

 

最有希望的方法可能是生物打印的细胞支架。生物打印机会先被用于打印可生物降解的心脏支架结构(相当于细胞的骨架),而不是像要打印塑料或者金属的3D打印机那样,一层层打印活细胞来形成3D结构。这种支架会模拟心脏的细胞外基质,后者可为细胞提供结构性支持,以及帮助引导它们到达它们应该到达的地方。接着,心脏细胞会被打印到支架中,在支架里面,它们会进行交互,并链接形成心脏的结构。在细胞融合到心脏的整个结构中以后,支架就可以拆解掉,留下可用于移植的全功能心脏。这种技术确实已经存在,尽管应用范围还比较小。有个支架曾被用于生物打印一小块的工作心肌,它被证明能够修复老鼠因心脏病发作而受损的心脏。

 

我们为什么还无法生物打印出心脏来?

 

生物打印一小块的肌肉和生物打印整个心脏完全是两码事。但为什么会这样呢?打造完整的器官有一难题需要解决:血管。所有的血管都被证明难以通过生物打印技术制造出来,而制造直径比最小细胞还小的毛细血管更是几无可能。制造出可行的血管系统会是一项非常了不起的成就,美国宇航局(NASA)甚至要为首个能够做到的研究团队提供50万美元的奖金。它发起的血管组织挑战赛将会向可在试管中存活30天,带有全功能血液系统的1厘米厚人体组织的制造者授予奖金。

 

我们距离生物打印人体器官还有多远?

 

器官生物打印什么时候才会变得可行呢?业界的预测各不相同,有个团队声称他们将能够在6年内生物打印出心脏。没有人知道这些技术将会被认证为可安全用于人类移植的确切时间。然而,鉴于当前从事3D生物打印行业的研究科学家不在少数,加之这一到2021年规模预计将超过13亿美元的行业已经取得不少的进展,可以确定它离我们并不是很遥远。

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