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3D打印器官正在变成现实

魔猴君  行业资讯   372天前

人气 398

202367日,魔猴网了解到,美国《财富》杂志网站报道,3D打印器官可能很快变成现实。主要内容编译如下:

去年,在得克萨斯州的圣安东尼奥,医生阿图罗·博尼拉小心翼翼地为一名天生没有右耳的20岁女士移植了一只外耳。这是按照她左耳的大小和形状对称制造的。

博尼拉是一名从业超过25年的儿童小耳症外科医生(治疗耳朵先天缺陷的医生),也是该领域公认的专家。对博尼拉来说,这种手术很平常。但这个病例有不同寻常之处:移植的耳朵是用这位女士自身的软骨细胞通过3D生物打印机制作出来的。这种情况对于博尼拉的职业生涯来说尚属首次。

博尼拉说,移植手术“平淡无奇”。无论如何,这实在过谦了。

从近乎科幻的领域到思想萌芽,再到实际的科学,3D生物打印正在医学研究的各个方面取得进展。而现在,人们已开始实践这项技术。发展的步伐是缓慢的,一些最雄心勃勃的3D打印计划还要几十年才会完成。但进步是实实在在的。

以色列特拉维夫大学组织工程学和再生医学主任塔勒·德维尔教授说:“我认为,10年后我们将获得用于移植的各种器官。我们将从皮肤和软骨等简单器官开始,然后我们将转向更复杂的组织——最终是心脏、肝脏和肾脏。”

3D生物打印的未来

听起来很神奇,但它已经发生了。多层次的皮肤、骨骼、肌肉结构、血管、视网膜组织以及一些微型器官都已被3D打印出来。虽然目前还没有一种打印产品得到批准以用于人类,但沿科学时间轴的赛跑是激动人心的。

2022年的一份摘要和从事仿生胰腺研究的米哈乌·弗绍瓦博士介绍,波兰研究人员通过3D生物打印制造了一个胰腺的功能原型,在两周的观察期内,该原型在猪体内实现了血流的稳定。联合治疗公司通过3D打印制造了一个人类肺支架,它有4000公里长的毛细血管和2亿个肺泡,能够在动物模型中进行氧气交换。这是创造可移植的人类肺脏的关键一步。科研人员则希望,争取在五年内得以开展相关的肺脏移植人体试验。

在韦克福里斯特大学再生医学研究所,科学家们开发了一种移动皮肤生物打印系统。在不太久的将来,他们期待能够将打印机直接推到有着难愈伤口(如烧伤)的患者床边,然后扫描和测量伤口区域,并一层一层地将皮肤直接3D打印到伤口表面。他们的工作还有更多进展。他们通过3D打印生成了骨骼肌。实验显示,这些骨骼肌可以在啮齿类动物身上实现收缩,并在八周内使前腿肌肉中80%以上先前丧失的肌肉功能得以恢复。

德维尔的实验室已经通过3D打印制造出一颗“兔心大小”的心脏,它有着细胞、腔室、主要血管和心跳。德维尔说,制造全尺寸的人类心脏需要同样的基本技术,尽管放大尺寸的过程会非常复杂。德维尔说:“我们现在正在研究起搏细胞、心房细胞和心室细胞。情况看起来不错。我相信,这就是未来。”

3D生物打印的原理

对人体器官进行3D打印是一个了不起的理念。美国卫生资源和服务局的数据显示,目前有近10.6万美国人在等待获得器官捐献,每天有17人在等待中死亡。使用患者自身细胞制造器官的3D打印过程不仅可能会减少这种等待,还会大大降低发生器官排异反应的概率,并可能消除对有害的终生免疫抑制药物的需求。

斯坦福大学生物工程系的助理教授马克·斯凯拉-斯科特说:“将不同类型的细胞放在准确的位置上以构建复杂组织的能力,以及整合可以输送必要的氧气与营养物质以保持细胞存活的血管的能力,是革新组织工程学的两项(3D)技术。在过去的20年里,该领域发展非常迅速,从打印膀胱到如今打印多细胞组织(这些组织带有可以同泵相连接的血管),以及一些复杂的3D模型(这些模型类似心脏组件,带有经集成的心脏细胞)。”

3D生物打印中,关键在于细胞。该过程从生成研究人员想要进行生物打印的细胞开始,然后细胞会根据指令变成某器官所特有的细胞类型。随后,这些细胞被转变成可打印的生物墨水,这涉及将它们与明胶或褐藻酸盐等材料混合,以使它们具有类似牙膏的黏稠度。斯坦福大学的实验室正在研究,如果干细胞以很高的密度挤在一起,它们如何自然地形成这种黏稠物,这会让3D打印器官完全由患者自身的细胞来形成。

斯凯拉-斯科特说,生物墨水会被装入注射器,并从喷嘴挤出,“就像蛋糕上的糖霜”。这就是实际的3D生物打印过程,它通常包括制造不同类型的细胞,每种细胞都装入一个不同的喷嘴。德维尔说,打印微型心脏花了大约4小时。一旦完成,打印出的组织有时会与泵相接,这个泵将驱动氧气和营养物质通过该组织。随着时间的推移,组织会自行发育,成熟度和功能也会增加。

这个大致的过程——虽然在这里被大大简化了——生成了博尼拉在得克萨斯州开展的移植手术中所用的外耳。在过去的大多数小耳症手术中,博尼拉会从病人的肋骨上提取软骨,以形成新的外耳。这一次,博尼拉对患者的另一只耳朵进行了一个小规模的活检,从活检中提取的软骨细胞经过培养形成了数十亿个细胞,这些细胞通过3D打印构成新的移植物。

博尼拉说:“与任何研究一样,为了尝试改进这项技术,未来会在各种患者身上重复3D打印器官移植手术。我们不确定这将在何时成为主要治疗方法,但前景是非常令人振奋的。”

3D生物打印的优势 

韦克福里斯特大学的科学家多年来一直在实验室里培育器官和组织。他们在实验室里用3D打印技术制造了一个微型肾脏和一个微型肝脏。下一项挑战是制造更大、更坚实的结构,并更充分地模拟器官功能。哈佛大学生物启发工程学教授珍妮弗·刘易斯说:“我们距离实现器官规模上的这一目标还很远。”

韦克福里斯特大学再生医学学院的创始主任安东尼·阿塔拉说:“我们已经能够打印像皮肤这样的扁平结构,像血管这样的管状结构,或者像膀胱这样的空心非管状器官。”阿塔拉说,较大的实心器官是不同的,这是“因为血管分布和营养方面的挑战。每厘米有那么多细胞”。

在某种程度上,有关细胞生成,问题在于质量。科学家们已经能够由干细胞制造出心脏细胞,但这个细胞却不会像你的心脏细胞那样强有力地跳动。生成的肝细胞和肾细胞也存在类似问题。斯凯拉-斯科特说:“在某些方面,3D生物打印领域正在等待基础生物学领域的科学家取得重大突破。”

还有数量的问题。德维尔说,制造一颗心脏需要“数以十亿计的细胞——而且你需要不同的细胞,甚至不同的心肌细胞”。斯凯拉-斯科特则说,为了给单个器官制造足够的细胞,一个设施需要安装一个10升的搅拌缸,每天可能要投入5000美元的材料,并连续运作几个月。最终目标是一个月制造数千个器官,而不是一个。

3D生物疗法公司的首席执行官兼联合创始人丹·科恩说,除此之外,还有组织如何融入人体,以及如何得到人体(包括血管、神经和多种细胞构成的复杂网络)的支持等问题。科恩说:“这不是说做不到。我对生物打印和更广泛意义上的再生医学抱有很大希望。”科恩20年前就开始在生物打印领域开展工作,当时该领域还没有一个正式的名字。

即使在短期内,进步也是显而易见的。刘易斯说,哈佛大学的研究人员从人类多能干细胞中培育出了心肌细胞,然后将它们植入带有集成传感器的生物工程芯片,这些传感器可以追踪跳动的组织。这种装在芯片上的3D打印心脏可用于测试各种心脏病药物的潜在毒副作用,并可能减少对动物试验的需求。

阿塔拉说:3D打印机带来了一些优势。首先是便于扩大器官制造规模,因为可以让自动化的打印机来工作,而不是一次手动制作一个组织或器官。第二个优势在于精确度。我们可以更精确地把这些细胞安置在需要它们的地方。”

还有降低总体成本的优势,因为3D打印允许扩大制造规模。还有阿塔拉所说的“再生性”——一种一遍又一遍地制造相同结构的方法。在器官移植方面,由患者自身细胞制成的新器官可以大大降低发生排异反应的可能性。

大多数研究人员认为,全尺寸3D打印人体器官移植还需要2030年的时间才会实现。德维尔说:“最终,展望未来,我们将不需要心脏捐赠。我们将不需要肝脏捐赠。这是我的看法,我很乐观。我认为,要不了20年,各种3D打印器官移植就会成为现实。”这是科学,而非科幻。



来源:南极熊

   

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