打印一個(gè)會(huì)呼吸的肺

美國(guó)科學(xué)家利用一種叫做投影立體光刻的3D生物打印技術(shù)，制作出一個(gè)具有多血管網(wǎng)絡(luò)、具備“呼吸”功能的小型3D打印肺臟模型。這一重大突破對(duì)于研發(fā)可供移植的3D打印器官具有非凡的意義。

南方周末特約撰稿 湯波

器官移植是20世紀(jì)以來(lái)最偉大的醫(yī)學(xué)成就之一，但是器官供體嚴(yán)重短缺是全球性難題。科學(xué)家開(kāi)發(fā)出一種基于患者自身細(xì)胞的人體器官3D打印技術(shù)，為苦苦等待器官供體的患者帶來(lái)了新的希望。近日，美國(guó)賴斯大學(xué)和華盛頓大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究人員利用3D生物打印技術(shù)，成功打印出第一個(gè)具備“呼吸”功能的3D肺臟模型，成為近年來(lái)如火如荼的3D生物打印研究領(lǐng)域最令人矚目的進(jìn)展，將來(lái)患者甚至可以定制完全與自己匹配的3D打印器官。

3D打印技術(shù)帶來(lái)希望

從20世紀(jì)50年代開(kāi)始，器官移植技術(shù)日益成熟，挽救了全球數(shù)以百萬(wàn)計(jì)患者的生命。據(jù)美國(guó)器官捐獻(xiàn)網(wǎng)站統(tǒng)計(jì)，2018年美國(guó)共開(kāi)展器官移植3.65萬(wàn)例，而每年等待器官移植供體的患者多達(dá)12萬(wàn)，器官短缺較為嚴(yán)重，每天大約有20人在等待器官過(guò)程中死亡。我國(guó)是世界上器官捐獻(xiàn)和開(kāi)展器官移植數(shù)量第二多的國(guó)家，2018年共完成器官移植2萬(wàn)余例，但是我國(guó)每年約有30萬(wàn)器官衰竭患者需要進(jìn)行器官移植，因此器官供體缺口更大。3D生物打印技術(shù)為那些長(zhǎng)時(shí)間等待器官供體的患者帶來(lái)了新的希望。

3D生物打印技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，參考真實(shí)組織器官的結(jié)構(gòu)，通過(guò)3D生物打印設(shè)備，像噴墨打印機(jī)打印紙張一樣，將可降解的、具有生物相容性的非生物材料批量制作成具有三維立體結(jié)構(gòu)的細(xì)胞腳手架，然后讓某些細(xì)胞在腳手架上生長(zhǎng)并融合成組織或器官，再將細(xì)胞腳手架的非生物材料沖洗或生物降解，留下的就是與真實(shí)器官結(jié)構(gòu)和功能相似的3D打印組織或器官。

自21世紀(jì)初開(kāi)始興起以來(lái)，3D生物打印技術(shù)在骨骼、軟骨組織、關(guān)節(jié)、皮膚、耳廓甚至心臟瓣膜等人體組織上展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，并取得初步成功。除了藥物篩選、手術(shù)規(guī)劃、醫(yī)學(xué)教學(xué)等用途，一些3D打印組織也開(kāi)始進(jìn)入臨床應(yīng)用階段。但是，制作可供移植的3D打印器官則是3D生物打印技術(shù)的國(guó)際難題，特別是肺臟、心臟和肝臟等實(shí)體器官。因?yàn)檫@些實(shí)體器官結(jié)構(gòu)復(fù)雜，器官內(nèi)部布滿細(xì)微的毛細(xì)血管。對(duì)這些實(shí)體器官進(jìn)行3D打印時(shí)，不僅需要模擬相似的器官框架結(jié)構(gòu)，更關(guān)鍵的是必須形成復(fù)雜的毛細(xì)血管網(wǎng)絡(luò)，使得3D打印器官血管化，最終將氧氣和營(yíng)養(yǎng)成分運(yùn)送到器官各處，并將器官產(chǎn)生的廢氣和廢料運(yùn)送出來(lái)，這樣才能讓3D打印器官具備它們應(yīng)有的生理功能。

能“呼吸”的3D打印肺泡

2019年5月3日，來(lái)自美國(guó)萊斯大學(xué)和華盛頓大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)的科學(xué)家在著名的《科學(xué)》雜志上宣布，他們利用一種叫做投影立體光刻的3D生物打印技術(shù)，制作出一個(gè)具有多血管網(wǎng)絡(luò)、具備“呼吸”功能的小型3D打印肺臟模型。

為了制備這種3D打印肺臟模型，研究人員首先對(duì)細(xì)胞腳手架的材料進(jìn)行了篩選。由水和聚（乙二醇）二丙烯酸酯組成的水凝膠是3D生物打印最常用的基礎(chǔ)打印材料之一，就像紙張打印機(jī)的黑色噴墨。不同的是，水凝膠可以從液態(tài)變成固態(tài)，在光線的作用下逐層固化，從而實(shí)現(xiàn)所打印組織或器官模型的立體化。為了刻印血管網(wǎng)絡(luò)，需要添加光吸收材料，但是有些化學(xué)材料存在細(xì)胞毒性，不能用于生物打印。于是，萊斯大學(xué)的研究人員篩選了一些廣泛應(yīng)用的食品染色劑，如檸檬黃、姜黃素或花色素苷等材料，最后確認(rèn)檸檬黃效果比較好，能顯著提高立體光刻的效率和精確性。研究人員之所以選擇食品染色劑作為光吸收材料，一方面是因?yàn)檫@些食品染色劑具有較好的生物相容性，另一方面則是因?yàn)檫@些染色劑易于沖洗或降解，便于后續(xù)操作。

該模型并非整個(gè)肺臟，只是模擬一個(gè)肺泡結(jié)構(gòu)，大小跟一枚五角硬幣相近，但是其中有很多相互纏繞的微細(xì)中空管道，包括“血管”和“氣管”，最細(xì)的管道直徑可達(dá)1毫米。這一3D肺泡模型就像一個(gè)紅色網(wǎng)袋包裹著一個(gè)中空氣囊，紅色網(wǎng)袋模擬血管系統(tǒng)，氣囊相當(dāng)于通往肺泡的氣管，可以允許氧氣進(jìn)出并滲入周邊的“血管”，以使紅細(xì)胞結(jié)合氧。這個(gè)3D打印肺泡的制備過(guò)程大約為1個(gè)小時(shí)，如果通過(guò)上述方法制備更多的3D打印肺泡，即可組裝成一個(gè)3D打印肺臟模型。

為了驗(yàn)證這種3D肺泡模型血管和氣管系統(tǒng)能否相互配合，能否讓3D肺泡發(fā)揮基本的生理功能，研究人員將脫氧的人紅細(xì)胞注入這些微細(xì)管道，同時(shí)在氣囊管道中注入氣態(tài)氧，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，入口處血紅細(xì)胞顏色由深紅色變成出口處的鮮紅色，即富氧紅細(xì)胞，說(shuō)明3D打印肺泡能實(shí)現(xiàn)氧氣的交換；氧含量測(cè)定也表明，流經(jīng)這個(gè)3D打印肺泡模型的血管之后，紅細(xì)胞可以將3D打印肺泡氣道中的氧氣運(yùn)送出去，即實(shí)現(xiàn)了肺臟的“呼吸”功能，相應(yīng)地，該3D打印肺泡模型還可像真實(shí)肺泡呼吸時(shí)一樣進(jìn)行擴(kuò)展和收縮。

制造3D打印器官模型的最終目的是讓人體細(xì)胞正常生長(zhǎng)、分化、形成組織乃至構(gòu)建接近真實(shí)的器官結(jié)構(gòu)。研究人員將人間充質(zhì)干細(xì)胞植入該3D打印肺泡中進(jìn)行培養(yǎng)，結(jié)果這些干細(xì)胞能正常生長(zhǎng)和分化。更進(jìn)一步，研究人員還利用類似方法制備出一小塊具有多血管系統(tǒng)的小鼠3D打印肝臟組織，并將其移植到肝臟受損的小鼠體內(nèi)，結(jié)果兩周后，這些3D打印肝臟的細(xì)胞能在小鼠體內(nèi)正常生長(zhǎng)，并發(fā)揮肝臟的基本功能。

這些研究是科學(xué)家首次利用3D生物打印技術(shù)制作出具備生理功能的3D打印實(shí)體器官，對(duì)于研發(fā)可供移植的3D打印器官具有重大的借鑒意義，因此登上了著名的《科學(xué)》雜志封面。

什么器官都能打印

除了肺臟，世界各國(guó)的科學(xué)家也在爭(zhēng)先恐后地開(kāi)展其他的3D打印器官研究。據(jù)最近一份印度市場(chǎng)分析報(bào)告顯示，預(yù)計(jì)到2023年，全球3D生物打印市場(chǎng)將達(dá)到19億美元，來(lái)自美國(guó)、歐盟、中國(guó)、日本、以色列等國(guó)家和地區(qū)的公司和研究機(jī)構(gòu)是這一領(lǐng)域的主要參與者。

據(jù)美國(guó)CBS新聞網(wǎng)2019年4月中旬報(bào)道，以色列特拉維夫大學(xué)的研究人員利用3D生物打印技術(shù)，制備出一個(gè)相當(dāng)于兔子心臟大小的3D打印心臟，不僅包括多種活的心臟細(xì)胞，還包括血管和其他支撐結(jié)構(gòu)，以及左右心室，具備了心臟的基本解剖結(jié)構(gòu)，以及機(jī)械穩(wěn)定性和堅(jiān)固性。該心臟模型所有細(xì)胞均來(lái)自于一個(gè)患者的脂肪組織，研究人員將脂肪組織轉(zhuǎn)化形成干細(xì)胞，再由干細(xì)胞分化成不同的心臟細(xì)胞。這樣利用患者自身干細(xì)胞形成的組織和器官進(jìn)行心臟修補(bǔ)或移植時(shí)，可以顯著減少免疫排斥反應(yīng)。這個(gè)只有2.5厘米長(zhǎng)的3D打印心臟模型可以進(jìn)行液體灌注，不過(guò)并不具備泵送血液等生理功能。這是科學(xué)家首次利用真實(shí)的生物材料制成的3D打印心臟模型，證明了未來(lái)在設(shè)計(jì)個(gè)性化組織和器官的潛力。以色列的科學(xué)家希望進(jìn)一步改進(jìn)這一技術(shù)，將來(lái)能修復(fù)患者受損的心臟，以治療相關(guān)的心臟病。

食管切除術(shù)是食道癌的主要治療手段，但是現(xiàn)有人工食道大多缺乏生物相容性。據(jù)2019年3月一篇發(fā)表在《科學(xué)公共圖書館·綜合（PLOS ONE）》的論文顯示，日本長(zhǎng)崎大學(xué)的研究人員利用3D打印技術(shù)，將人皮膚成纖維細(xì)胞、人食道平滑肌細(xì)胞、人骨髓來(lái)源的間充質(zhì)干細(xì)胞和人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞作為細(xì)胞來(lái)源，制備出一種全細(xì)胞組成的3D打印食道，并移植到大鼠體內(nèi)，證明這種3D打印食道能有效替代大鼠的食道。

2019年1月，哈佛大學(xué)的一個(gè)科研團(tuán)隊(duì)也制備了3D打印腎小管模型，這些3D打印腎小管含有與真實(shí)腎小管相似的上皮細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞形態(tài)，以及管腔結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)行連續(xù)灌注，還能模擬人體腎臟重吸收功能，將葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)至相鄰的血管。該研究發(fā)表在《美國(guó)科學(xué)院院刊》上。

科學(xué)家不僅在地面實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展激烈競(jìng)爭(zhēng)，也將這種3D生物打印研究的競(jìng)爭(zhēng)引入太空。據(jù)俄羅斯國(guó)際電視廣播網(wǎng)報(bào)道，2018年12月初，俄羅斯首次在太空國(guó)際空間站，利用3D打印技術(shù)將干細(xì)胞和其他材料打印成人類軟骨組織和嚙齒動(dòng)物甲狀腺。俄羅斯研究人員認(rèn)為在微重力環(huán)境下，3D打印的生物組織更符合正常尺寸，這些生物打印組織將可用于研究輻射對(duì)身體有何影響等問(wèn)題，更希望將來(lái)這些生物打印組織能達(dá)到醫(yī)學(xué)應(yīng)用水平，為修復(fù)長(zhǎng)時(shí)間太空航行的宇航員受損組織提供幫助。該報(bào)道還稱，美國(guó)也計(jì)劃在近期開(kāi)展太空3D生物打印研究。

值得一提的是，美國(guó)加州一家生物技術(shù)公司看準(zhǔn)3D生產(chǎn)打印的市場(chǎng)，開(kāi)發(fā)出一種3D預(yù)血管組織系統(tǒng)，即可根據(jù)客戶需要，3D打印出各種含有毛細(xì)血管結(jié)構(gòu)的三維細(xì)胞腳手架，使得原來(lái)在二維空間生長(zhǎng)的細(xì)胞，可以在三維空間生長(zhǎng)，從而更好地模擬體內(nèi)組織，可用于新藥的篩選、毒理學(xué)研究、腫瘤免疫療法開(kāi)發(fā)等等方面。

血管化3D打印器官何時(shí)能進(jìn)入臨床應(yīng)用呢？萊斯大學(xué)副教授喬丹·米勒博士對(duì)媒體表示，隨著技術(shù)的成熟，目前可以對(duì)人體任何復(fù)雜的組織和器官進(jìn)行精準(zhǔn)的3D打印，希望這種3D打印器官在未來(lái)20年內(nèi)實(shí)現(xiàn)臨床應(yīng)用。盡管這種3D打印器官離真正臨床應(yīng)用還有待時(shí)日，不過(guò)很多科學(xué)家正在快馬加鞭，希望能盡快實(shí)現(xiàn)這一夢(mèng)想。