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外媒:3D技术或在未来能“打印”人体器官
来源:互联网   发布日期:2014-11-26 14:59   浏览:4927次  值班编辑QQ:点击这里给我发消息

外媒称,从零开始打造人体器官,就像制造一个零部件一样,速成且没有排异的风险,这是再生医学的首要目标之一。如今科学家将目光集中在了3D打印上。据西班牙《趣味》月刊9月号文章称,随着科技的发展,人类寿命越来越长,随之而来的结果就是,人类的器官从未
 

外媒称,从零开始打造人体器官,就像制造一个零部件一样,速成且没有排异的风险,这是再生医学的首要目标之一。如今科学家将目光集中在了3D打印上。据西班牙《趣味》月刊9月号文章称,随着科技的发展,人类寿命越来越长,随之而来的结果就是,人类的器官从未运转过这么长时间。在欧盟,每天都有9个人在等待 移植器官的过程中死亡。

美国韦克福雷斯特大学再生医学学院主任安东尼·阿塔拉表示:“最近10年来,需要接受器官移植的患者人数翻了一番。虽然器官捐赠者越来越多,但依然满足不了日益增长的需求。”目前最被寄予希望的方法就是复制人体器官,但目前这种方法仅在牙科医院比较常见。

阿塔拉已经在这个研究领域投入了30年的时间和精力。过去其研究方向一直是较为简易的肌肉和血管,但是2014年初阿塔拉宣布了一个飞跃性的研究成果:4个实验室人造阴道的移植手术都取得了成功。在接受植入手术8年后的今天,4位患有先天疾病的患者终于可以享受到正常的性生活了。

文章称,为了从零开始打造人体器官,科学家首先需要的就是能够变成任何人体组织的干细胞。直到不久以前,还只能从人类胚胎当中获取干细胞,这种方法还引发了有关伦理道德的争论。但是现在无需创造出胚胎就可以获取干细胞了。

打个比方,这个过程就像一台时间机器。在实验室中培养一位患者的细胞样本之后,通过外部干预使其成熟过程发生逆转。这样细胞就“返老还童”了,逆转成为可以孕育新胚胎的干细胞。但是新的组织或器官是如何形成的?

答案是:在生长支架的辅助之下形成的。这个支架由多孔聚合物制造,这种具有生物相容性并且可降解的支架可以使细胞继续生长并形成不同的组织,直到获得理想的器官形状。阿塔拉表示:“其作用就像义肢。如果输入通过X光照相和扫描获得的信息,3D打印机就能精准地复制出患者的器官。”

第二个步骤就是将事前获取的患者的细胞薄薄地覆盖在支架上。最后,正在生长过程中的细胞还需在一个生物反应器当中达到成熟期。智能的生物反应器能够模拟人体内的环境条件。人造器官在植入人体内之后仍将继续生长,直到和天生的器官完美相似。

对于那些等待捐赠器官的患者而言,能够幸运地获捐一个肝脏或者肾脏无异于一次新生。然而,即便移植了捐赠者的心脏,获捐者还可能受到排异反应的煎熬。阿塔拉指出:“如果利用患者自己的细胞,就不会存在这个问题了。”

人造器官的另一个优点就是大大缩短了等待时间。得益于这个优点,患者可以在疾病早期移植人造器官,而这时候患者相对比较健康,接受手术之后更容易康复。

制造具有生物相容性的支架是一个依然处于研发过程中的课题。人造器官能否移植成功,时间的把握和控制是关键。因为如果支架提前降解,就会因为过细而无法支撑细胞形成理想的器官形状。同样地,如果支架降解得太慢,植入的人造器官的区域和周围的组织就会形成瘢痕,进而影响未来人造器官的正常运作。

解决问题的方法之一就是,回收与受体不匹配的捐赠器官并将其去细胞化。2012年瑞典歌德堡大学的一个研究组首次利用一个生物支架成功移植了一根静脉血管,而这个支架则是用一具尸体的血管制成的。

和所有组织一样,这个过程就是利用去除剂将捐赠者的器官去细胞化。这样就只留下决定组织形状的蛋白质架构。专家指出,从理论的角度来看,这个推理是无懈可击的,因为存在可以作为支架重复利用的多余器官。目前韦克福雷斯特大学再生医学学院已经证实,这个理论能够应用于猪的肾脏。

无论如何,要想避免聚合物支架可能带来的问题,最好的替代办法就是制造无需支架的器官,于是3D打印技术逐渐吸引了所有人的目光。美国生物技术公司Organovo已经将3D打印的肝脏组织投入市常

文章称,这个过程需要对组织的机构进行精密分析,然后将其转化为打印机可以识别的代码。Organovo公司的专家利用尸体的细胞、培养皿中的活体细胞或者细胞株制造墨盒中盛放的生物墨水。肝脏样本在其一个半月的存活期内不断增殖、死亡并被活组织替代。它们有助于在投入临床试验之前,检测药物的毒性和效果。

在韦克福雷斯特大学再生医学学院,阿塔拉及其研究团队也在研发3D打印技术。除了尝试通过3D技术利用细胞而非聚合物制造生物支架,阿塔拉还希望能够研发出微型器官。他说:“我们希望能够按比例打印出心脏、肺脏和肝脏,进而替代实验室中的动物。这些人造内脏上面装有芯片,并且可以利用血液替代品存活。”

Organovo公司的执行董事基思·墨菲表示:“我们计划在未来制造出完整的器官。”他还说:“然而,我们更希望能够制造出体积更小的组织。例如,我们可以利用患者的细胞,打印出用来修补发生梗塞的心脏的补丁,这样就可以避免排异反应。”

美国爱荷华大学的一项最新研究提出了迷你器官的其他用途。例如,胰腺是由两种细胞构成,但具有分泌胰岛素功能的只占2%。挑选有用的细胞制造出的组织能够为糖尿病患者提供胰岛素,但却不必制造出完整的胰腺。此外,微型器官还可以使人体具备新的功能。例如,如果制造出能产生电能的器官组织,心脏起搏器里就不用安装电池了。

如果坚持要打印和天生的同样大小的完整活体器官,那么最大的挑战就在于创建一个有效的血管系统。在人体内,流动在经脉、动脉和毛细血管中的血液承担着输送养分和清洁废物的作用。但是在人造组织中,这些机制并不存在。因此目前尚且无法打印出厚度大于几微米的细胞层。阿塔拉表示:“我们的阴道和气管等移植手术之所以能够取得成功,是因为这些器官足够精细,而无需血管的渗透作用。”

有些人造组织,例如Organovo公司的肝脏组织样本已经具备血管化的雏形,但是要让复杂的血管网络同时形成还不太现实。

韦克福雷斯特大学再生医学学院的专家正致力于研发人造血管系统。阿塔拉表示:“我们现在有两种选择:利用血管内皮细胞制造小血管,或者利用能制氧的材料制造支架。”

美国哈佛大学维斯生物工程研究所拥有世界上清晰度最高的3D打印机,能够制造包括人类毛细血管在内的微型组织。

研究人员在打印血管组织的时候,将活细胞以及细胞外基质掺杂在一种特殊的生物材料当中。一般的生物材料冷却时会变硬,而这种特殊的聚合物能在温度下降的同时逐渐融化,并释放出活细胞和细胞外基质。人造血管组织冷却成型后,这些细胞能待在原来的组织位置,而无用的多余物质则会被吸出。

研究人员利用这种技术制造出了由3种细胞形成的组织,以及完整的血管系统。此外,他们还在这个新生的血管网络上培养血管内皮细胞,使其覆盖在血管上。

这是一种可行且快捷的方法,同时也节约了成本。美国宾夕法尼亚大学研发出一种类似的技术,虽然效率和精确度不如哈佛大学的技术高,但是利用碳水化合物替代了特殊的生物材料。换言之,使用糖类作为3D打印机的墨水。研究人员表示,这项技术受到了棉花糖的精细结构的启发。这样一来,只要用水就可以清除多余的物质。

此外,研究人员还从世界上第一台具有自我复制功能的打印机身上获得了灵感。这个名叫RepRap的3D打印机原型机从软件到硬件各种资料都是免费和开源的,任何人都可以制造一台这样的打印机,然后再用它打印出和这台打印机一模一样的零部件。

突破了血管系统的挑战之后,依然还有很长的路要走。下一个挑战在于,人造组织中的很多细胞无法在打印过程中存活。因此距离将3D打印技术融入日常生活仍需时日。不过我们不要忘记,十多年前数位3D打印领域的先驱就曾说过,未来能够打印器官的3D打印机将像诞生于20世纪30年代的电子显微镜一样常见。

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