?蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院工程師打造的3D打印硅膠心臟

《衛(wèi)報(bào)》網(wǎng)站撰文指出，我們距離3D生物打印人體器官還有多遠(yuǎn)呢?該技術(shù)能否解決移植器官短缺問題呢?科學(xué)家們正在努力利用3D打印機(jī)來制造替代性人體器官。不過，雖然該技術(shù)的種種可能性令人興奮，但現(xiàn)在已經(jīng)有人擔(dān)心它會(huì)讓人類“扮演上帝的角色”。

以下是文章主要內(nèi)容：

埃里克·加藤霍爾姆(Erik Gatenholm)第一次看到3D生物打印機(jī)是在2015年年初。當(dāng)時(shí)，他的父親、哥德堡查爾姆斯理工大學(xué)化學(xué)與生物聚合物技術(shù)教授保羅(Paul)給家買來了一臺(tái)。它的價(jià)格在20萬美元左右。“我的父親說，‘這東西能夠打印人類器官?！奔犹倩魻柲坊貞浀?，如今他仍覺得驚詫不已?！拔艺f，‘胡說八道!’之后，它打印出了一個(gè)小小的軟骨。它不是軟骨，但它看上去讓人覺得它可能就是軟骨。那一刻，我覺得，‘這簡直太酷了!’”

很早就擁有一臺(tái)普通的3D打印機(jī)的加藤霍爾姆當(dāng)時(shí)就在想，他想要在3D生物打印領(lǐng)域干出點(diǎn)什么來。他的口音也許有點(diǎn)怪異——他在瑞典和美國長大，他的父親在美國是一位客座教授——但他的目標(biāo)和雄心都是經(jīng)過深思熟慮的。加藤霍爾姆在18歲那年創(chuàng)立了自己的第一家生物科技公司，當(dāng)時(shí)他認(rèn)識(shí)到，如果這臺(tái)機(jī)器有潛力打印器官，就像他父親說的那樣，那它就有潛力徹底改變醫(yī)療行業(yè)。

用于救命用移植的器官在全球各地都非常短缺。例如，在英國，現(xiàn)在要進(jìn)行腎臟移植的話，通過國家醫(yī)療服務(wù)體系(NHS)，你平均要等待944天之久。肝臟、肺和其它的器官同樣供不應(yīng)求。移植組織的缺乏，據(jù)估計(jì)是美國的頭號(hào)死亡原因。在美國，每年約有90萬死亡案例，或者三分之一的死亡案例，可通過器官或者工程化組織的移植避免或者延遲?？上攵?，移植器官的需求極其之大。

生物墨水

Cellink的兩位聯(lián)合創(chuàng)始人埃里克·加藤霍爾姆和赫克托·馬丁內(nèi)斯

加藤霍爾姆的父親介紹其正在攻讀組織工程學(xué)博士學(xué)位的學(xué)生赫克托·馬丁內(nèi)斯(Héctor Martínez)和也參與集體研討的另一位學(xué)生伊凡·圖爾尼爾(Ivan Tournier)給他認(rèn)識(shí)?！拔覀儺?dāng)時(shí)在討論展開一些實(shí)驗(yàn)。”現(xiàn)年27歲的加藤霍爾姆表示。

“于是我跟他們說，‘我們?yōu)槭裁床簧暇W(wǎng)購買我們所需要的打印墨水呢?’伊凡說，‘沒有墨水，你買不到。’我說，‘什么意思?’這是我聽到過的最愚蠢的話。市面上有一大堆打印機(jī)，購買墨水就行了。他說，‘不，你沒懂我的意思，是買不到墨水。你得自己制造，你得混入某種東西?！缓笪揖驼f，‘那就自己制造墨水吧!’”

Cellink正是誕生于2016年1月的這個(gè)靈感突然閃現(xiàn)的時(shí)刻。盡管該技術(shù)是科幻小說中的東西，但其經(jīng)營理念類似于經(jīng)典的“剃刀與刀片”。在該歷史悠久的模式中，你實(shí)際上就是將剃刀贈(zèng)送出去，然后通過可調(diào)換式刀片反復(fù)賺錢。噴墨式打印機(jī)同樣如此：大家都知道，真正賺錢的地方是，墨水盒更換。

在生物打印領(lǐng)域，加藤霍爾姆和馬丁內(nèi)斯開發(fā)了全球首款標(biāo)準(zhǔn)化生物墨水(bioink)，并將其推出市場：它主要由一種名為納米纖維素藻酸鹽的材料制造而成，該材料部分提取自海藻。如果你有3D生物打印機(jī)，那該墨水就是你可以直接購買的現(xiàn)成產(chǎn)品。

Cellink的影響力可謂不同凡響，尤其是考慮到它才誕生不久。該公司已經(jīng)贏得了一系列創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)方面的獎(jiǎng)項(xiàng)，還獲得瑞典版《龍穴之創(chuàng)業(yè)投資》(Dragons’ Den)真人秀節(jié)目的資助。成立僅僅10個(gè)月，加藤霍爾姆便進(jìn)入股票市場，在納斯達(dá)克First North市場掛牌上市。其IPO(首次公開招股)的超額認(rèn)購比例達(dá)到令人膛目結(jié)舌的1070%。

我在哥德堡會(huì)見加藤霍爾姆的時(shí)候，他似乎還在思考該如何利用公司新獲得的資金。Cellink的辦公室一片混亂：地上有塊鐵，釘上掛著西服外套，便于他出席臨時(shí)安排的客戶會(huì)議。他和32歲的馬丁內(nèi)斯通常都一天工作16個(gè)小時(shí)。“沙發(fā)躺上去非常舒服?！奔犹倩魻柲沸Φ馈Ｋ霓k公室實(shí)際上沒有坐下來的地方。Cellink的人員團(tuán)隊(duì)擴(kuò)張?zhí)炝?，加藤霍爾姆和馬丁內(nèi)斯都要將他們的座椅讓給新員工。“我們是將它們捐獻(xiàn)給科學(xué)?！奔犹倩魻柲房嘈χf。

但加藤霍爾姆非常清楚的一點(diǎn)是：現(xiàn)在就是生物打印的時(shí)代?！白鳛橐晃黄髽I(yè)家，你總是得尋找藍(lán)海。”他說，“企業(yè)家們總是會(huì)問，‘哪里有新的領(lǐng)域讓你成為它的代名詞?你能夠占領(lǐng)它呢?’我想，生物墨水和生物打印就是那樣的新領(lǐng)域?！?

他一臉難以置信地?fù)u頭道，“之前竟然沒有人做生物墨水!”

加藤霍爾姆樂于承認(rèn)的一點(diǎn)是，生物打印是一種超現(xiàn)實(shí)的概念，是一種會(huì)引發(fā)一些倫理擔(dān)憂的概念。它的運(yùn)行原理跟常見的3D打印非常相似：你先利用計(jì)算機(jī)程序做出你想要制造的東西的虛擬形態(tài)，然后讓打印機(jī)一點(diǎn)一點(diǎn)地將它打印成為成品。但不同于只能打印出珠寶、小雕像、汽車部件等無生命物體的普通3D打印機(jī)，生物打印機(jī)帶來了創(chuàng)造活的組織的可能性。

一開始，這可能意味著打印皮膚或者軟骨，這些屬于相對(duì)簡單的結(jié)構(gòu)，在體外生長也比較簡單明了。然而，該技術(shù)的先驅(qū)們認(rèn)為，最終他們將能夠從頭打造復(fù)雜的器官，比如心臟和肝臟。這些器官到時(shí)候或許可以應(yīng)用于人類的移植。

全球各地的研究

全球各地的科學(xué)家和商業(yè)公司都在涉足該類項(xiàng)目。事實(shí)上，某種競賽已經(jīng)打響。圣地亞哥的Organovo自2007年便開始進(jìn)入該領(lǐng)域，也已經(jīng)在打印肝臟、腎臟和心臟肌肉上取得一定的成功。2015年，它宣布與化妝用品巨頭歐萊雅(L’Oréal)達(dá)成合作，計(jì)劃提供3D打印皮膚。他們的最終目標(biāo)是免去進(jìn)行動(dòng)物試驗(yàn)的需要。

歐萊雅正在投入大量的資源來發(fā)展生物打印項(xiàng)目。去年9月，該公司透露，它的科學(xué)家也在與法國創(chuàng)業(yè)公司Poietis展開合作。這一次的目標(biāo)是，打造合成毛囊。該項(xiàng)目實(shí)際上極其復(fù)雜：每個(gè)毛囊有超過15種不同類型的細(xì)胞，涉及一個(gè)需要在試管里進(jìn)行催化刺激的纖維生產(chǎn)的循環(huán)過程。

不少人都作過這方面的嘗試，最后都宣告失敗。但歐萊雅和Poietis相信他們正接近于攻克該項(xiàng)目。關(guān)鍵在于Poietis所開發(fā)的生物打印機(jī)：大多數(shù)的機(jī)器通過噴嘴來擠壓出生物墨水;而他們的機(jī)器使用逐個(gè)存儲(chǔ)細(xì)胞的激光，每秒可滴出1萬滴，而且完全不會(huì)損害到細(xì)胞?！八倪\(yùn)作方式實(shí)際上非常簡單，類似于噴墨打印。”Poietis的CEO兼首席科學(xué)官法比安·吉列莫特(Fabien Guillemot)在公布該合作的視頻中解釋道，“通過連續(xù)不斷地在一個(gè)表面上分層堆放細(xì)胞微滴，它能夠打印出3D結(jié)構(gòu)，在這一用例中是打印生物組織?！?

Poietis將它的創(chuàng)新技術(shù)稱作4D生物打印?！暗谒膫€(gè)維度是時(shí)間。”吉列莫特說道。“由于我們的激光輔助生物打印技術(shù)基本上能夠一次打印一個(gè)細(xì)胞，它使得我們可以引導(dǎo)細(xì)胞和它們所在的環(huán)境之間的交互，直至它們形成我們想要的生物學(xué)功能?！?

中短期而言，歐萊雅希望它的防曬霜和抗衰老精華液將會(huì)變得更加有效，因?yàn)樗F(xiàn)在能夠在一種可像人類皮膚那樣發(fā)生反應(yīng)的材料持續(xù)不斷地測試產(chǎn)品。也許，將來使用它的洗發(fā)露以后你的頭發(fā)會(huì)變得更加光澤亮麗。但顯而易見的是，這類技術(shù)的影響力可能遠(yuǎn)不局限于超市中的化妝品區(qū)域。

如果皮膚能夠在實(shí)驗(yàn)室中打印出來，不難想到它將會(huì)被應(yīng)用于治療嚴(yán)重?zé)隣C傷的皮膚。目前，皮膚移植手術(shù)是最常見的皮膚燒燙傷治療方式，但它會(huì)導(dǎo)致出血和感染，復(fù)原時(shí)間也通常很長。

與此同時(shí)，合成毛囊的開發(fā)似乎為可減少脫發(fā)的商用產(chǎn)品或者移植奠定基礎(chǔ)?！昂茱@然，我們的未來目標(biāo)是，能夠利用試管中創(chuàng)造的毛囊系統(tǒng)測試創(chuàng)新性分子，”歐萊雅研究與創(chuàng)新部門的何塞·科托維奧(José Cotovio)指出，“以及提升我們對(duì)于頭發(fā)衰老、脫發(fā)、頭發(fā)生長等現(xiàn)象背后的關(guān)鍵過程的理解?！?

倫理擔(dān)憂

這還只是冰山一角——其他的研究者正在探究如何制造人類器官?！吧锎蛴?duì)于人類而言有著巨大的好處?！奔犹倩魻柲繁硎?，“你會(huì)死亡是因?yàn)槟愕钠鞴贂?huì)變壞。這就是你會(huì)死的原因。如果我們能夠開始更換體內(nèi)的器官，那我們或許能夠延長我們的壽命……那太酷了!”

我們距離讓這些研發(fā)變成現(xiàn)實(shí)還差一點(diǎn)。但差得并不是很遠(yuǎn)：加藤霍爾姆認(rèn)為，生物打印皮膚可能還有5年就可以實(shí)現(xiàn)?！?0年內(nèi)，我們將開始看到一些軟骨植入案例，不管是部分軟骨還是整個(gè)軟骨的植入?！彼f，“器官更換，在我們的有生之年可以實(shí)現(xiàn)。”他笑著補(bǔ)充道：“在我們的有生之年可以實(shí)現(xiàn)。”

不可避免地，生物打印已經(jīng)引發(fā)了一些倫理擔(dān)憂。它們包括：擔(dān)心人造皮膚和植入物的質(zhì)量和有效性，指責(zé)生物打印將會(huì)讓人類“扮演上帝的角色”。對(duì)于這些問題，最全面的調(diào)查也許是愛丁堡大學(xué)科技與創(chuàng)新研究系的團(tuán)隊(duì)所進(jìn)行的一項(xiàng)調(diào)查。

該由兩位博士尼基·韋爾默朗(Niki Vermeulen)和吉爾·哈多(Gill Haddow)領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)于像《科學(xué)怪人》中生物打印出來的怪物這樣的恐怖科幻片幻想并不感到擔(dān)憂?！凹偃缟系鄞嬖冢系勰軌騽?chuàng)造和影響生命，那現(xiàn)在就已經(jīng)有很多的技術(shù)讓人類能夠扮演上帝的角色，比如遺傳學(xué)?！惫嗾f道，“生物打印技術(shù)讓人們可以做出一些小的器官組織來用于醫(yī)療應(yīng)用。”

成本問題

他們認(rèn)為，3D生物打印技術(shù)需要克服的一個(gè)更大的障礙是成本問題。人們?nèi)菀准耐谥圃烊嗽炱鞴俚哪芰?huì)解決長長的器官移植等候者名單的問題，但那不大可能會(huì)發(fā)生?！斑@是一項(xiàng)極其昂貴的技術(shù)，要是它能實(shí)現(xiàn)，那也將只有少部分人能夠承擔(dān)費(fèi)用?！表f爾默朗警告稱，“當(dāng)前存在的健康不平等和各地的醫(yī)療保健待遇差異，可能也將會(huì)讓很多人用不到該項(xiàng)技術(shù)?！?

他們總結(jié)道，目前英國國家醫(yī)療服務(wù)體系、美國醫(yī)療保健體系和其它地方需要器官移植的病患所面臨的問題和手術(shù)延遲，“在生物打印時(shí)代也將會(huì)延續(xù)。”

“你可能會(huì)想，將相對(duì)便宜的生物打印機(jī)出口到醫(yī)療保健體系不完善的國家地區(qū)，就能夠讓人們獲得像這樣的機(jī)器可帶來的治療。但事實(shí)上，這些打印機(jī)只能夠用于有能力利用它們的醫(yī)療保健基礎(chǔ)設(shè)施當(dāng)中。”

蘇黎世應(yīng)用科技大學(xué)運(yùn)轉(zhuǎn)中的RegenHU 3D生物打印機(jī)

成本毫無疑問是3D生物打印發(fā)展初期的攔路虎。EnvisionTEC的3D Bioplotter、RegenHU’的3DDiscovery等最好的機(jī)器定價(jià)都超過15萬英鎊，因此，它們通常只能在高校實(shí)驗(yàn)室里看到。然而，Cellink也渴望改變一下這種局面。雖然它是從提供生物墨水起家，但沒多久它也進(jìn)入了硬件市場。加藤霍爾姆的辦公室里放著“Bob”，Bob是Cellink開發(fā)的Inkredible+ 3D生物打印機(jī)的昵稱，他常常將它帶到各種貿(mào)易展會(huì)展示。

Cellink打造的3D生物打印機(jī)，比酒店房間的小冰箱還小

Inkredible+是一臺(tái)很有吸引力的機(jī)器：體積略小于酒店房間的小冰箱，干凈，采用白色設(shè)計(jì)，配備藍(lán)色LED燈。但它真正吸引眼球的地方在于它的價(jià)格。Cellink打造了三款3D生物打印機(jī)，售價(jià)從7600英鎊到2.99萬英鎊不等。加藤霍爾姆解釋道，他們之所以能夠節(jié)省制造成本，部分因?yàn)樗麄兪褂脛澦愕?D打印機(jī)部件，而不是超昂貴的電動(dòng)機(jī)導(dǎo)軌系統(tǒng)。另外，這也與“剃刀與刀片”商業(yè)模式相契合：Cellink知道，擁有3D生物打印機(jī)的人越多，它銷售的生物墨水就會(huì)越多。

加藤霍爾姆很自豪他的公司正在促使3D生物打印成本下降。Cellink的客戶包括麻省理工學(xué)院、哈佛大學(xué)、英國倫敦大學(xué)學(xué)院等知名高校，與此同時(shí)，它也向業(yè)余愛好者提供該項(xiàng)新技術(shù)。加藤霍爾姆不知道這些人將會(huì)如何利用他們的機(jī)器和墨水——也許是為了打印組織來測試藥物，或者為了從生癌的腫瘤提取細(xì)胞，然后研究通過各種嘗試找到最佳的治療方案——但這也正是該新技術(shù)令人興奮的地方。

“因?yàn)槲覀兊漠a(chǎn)品，很多的大型生物科技公司都覺得很不爽。”加藤霍爾姆說，“但老實(shí)說，消費(fèi)者才是驅(qū)動(dòng)市場的人，消費(fèi)者想要得到我們的產(chǎn)品。就我們而言，我不知道癌癥的治療辦法將會(huì)在哪里誕生。我不知道它會(huì)誕生于印度、日本、南美洲還是紐約，但我們想要給予每一個(gè)人研究治療辦法的機(jī)會(huì)?！?

打印人類心臟的挑戰(zhàn)

我們?yōu)槭裁磿?huì)想要生物打印心臟呢?

除了幾何結(jié)構(gòu)以外，心臟是人體中復(fù)雜程度最低的器官之一。它不會(huì)像肝臟和腎臟那樣進(jìn)行復(fù)雜的生物化學(xué)反應(yīng)，它的運(yùn)作原理也已經(jīng)為科學(xué)家所理解，不同于大腦等其它的器官。基于此，心臟理論上可能是最容易進(jìn)行生物打印的器官之一，因此很適合生物打印行業(yè)從它來著手。在歐洲，有3500人在等候進(jìn)行心臟移植，當(dāng)中不少人需要新的心臟已經(jīng)超過兩年時(shí)間。

如何生物打印心臟?

最有希望的方法可能是生物打印的細(xì)胞支架。生物打印機(jī)會(huì)先被用于打印可生物降解的心臟支架結(jié)構(gòu)(相當(dāng)于細(xì)胞的骨架)，而不是像要打印塑料或者金屬的3D打印機(jī)那樣，一層層打印活細(xì)胞來形成3D結(jié)構(gòu)。這種支架會(huì)模擬心臟的細(xì)胞外基質(zhì)，后者可為細(xì)胞提供結(jié)構(gòu)性支持，以及幫助引導(dǎo)它們到達(dá)它們應(yīng)該到達(dá)的地方。接著，心臟細(xì)胞會(huì)被打印到支架中，在支架里面，它們會(huì)進(jìn)行交互，并鏈接形成心臟的結(jié)構(gòu)。在細(xì)胞融合到心臟的整個(gè)結(jié)構(gòu)中以后，支架就可以拆解掉，留下可用于移植的全功能心臟。這種技術(shù)確實(shí)已經(jīng)存在，盡管應(yīng)用范圍還比較小。有個(gè)支架曾被用于生物打印一小塊的工作心肌，它被證明能夠修復(fù)老鼠因心臟病發(fā)作而受損的心臟。

我們?yōu)槭裁催€無法生物打印出心臟來?

生物打印一小塊的肌肉和生物打印整個(gè)心臟完全是兩碼事。但為什么會(huì)這樣呢?打造完整的器官有一難題需要解決：血管。所有的血管都被證明難以通過生物打印技術(shù)制造出來，而制造直徑比最小細(xì)胞還小的毛細(xì)血管更是幾無可能。制造出可行的血管系統(tǒng)會(huì)是一項(xiàng)非常了不起的成就，美國宇航局(NASA)甚至要為首個(gè)能夠做到的研究團(tuán)隊(duì)提供50萬美元的獎(jiǎng)金。它發(fā)起的血管組織挑戰(zhàn)賽將會(huì)向可在試管中存活30天，帶有全功能血液系統(tǒng)的1厘米厚人體組織的制造者授予獎(jiǎng)金。

我們距離生物打印人體器官還有多遠(yuǎn)?

器官生物打印什么時(shí)候才會(huì)變得可行呢?業(yè)界的預(yù)測各不相同，有個(gè)團(tuán)隊(duì)聲稱他們將能夠在6年內(nèi)生物打印出心臟。沒有人知道這些技術(shù)將會(huì)被認(rèn)證為可安全用于人類移植的確切時(shí)間。然而，鑒于當(dāng)前從事3D生物打印行業(yè)的研究科學(xué)家不在少數(shù)，加之這一到2021年規(guī)模預(yù)計(jì)將超過13億美元的行業(yè)已經(jīng)取得不少的進(jìn)展，可以確定它離我們并不是很遙遠(yuǎn)。