?蘇黎世聯(lián)邦理工學院工程師打造的3D打印硅膠心臟

《衛(wèi)報》網(wǎng)站撰文指出，我們距離3D生物打印人體器官還有多遠呢?該技術(shù)能否解決移植器官短缺問題呢?科學家們正在努力利用3D打印機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)有人擔心它會讓人類“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生物打印機是在2015年年初。當時，他的父親、哥德堡查爾姆斯理工大學化學與生物聚合物技術(shù)教授保羅(Paul)給家買來了一臺。它的價格在20萬美元左右。“我的父親說，‘這東西能夠打印人類器官。’”加藤霍爾姆回憶道，如今他仍覺得驚詫不已。“我說，‘胡說八道!’之后，它打印出了一個小小的軟骨。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!’”

很早就擁有一臺普通的3D打印機的加藤霍爾姆當時就在想，他想要在3D生物打印領(lǐng)域干出點什么來。他的口音也許有點怪異——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，當時他認識到，如果這臺機器有潛力打印器官，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)估計是美國的頭號死亡原因。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。可想而知，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博士學位的學生赫克托·馬丁內(nèi)斯(Héctor Martínez)和也參與集體研討的另一位學生伊凡·圖爾尼爾(Ivan Tournier)給他認識。“我們當時在討論展開一些實驗。”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，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月的這個靈感突然閃現(xiàn)的時刻。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，你實際上就是將剃刀贈送出去，然后通過可調(diào)換式刀片反復賺錢。噴墨式打印機同樣如此：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)了全球首款標準化生物墨水(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，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)方面的獎項，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個月，加藤霍爾姆便進入股票市場，在納斯達克First North市場掛牌上市。其IPO(首次公開招股)的超額認購比例達到令人膛目結(jié)舌的1070%。

我在哥德堡會見加藤霍爾姆的時候，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，便于他出席臨時安排的客戶會議。他和32歲的馬丁內(nèi)斯通常都一天工作16個小時?！吧嘲l(fā)躺上去非常舒服?！奔犹倩魻柲沸Φ?。他的辦公室實際上沒有坐下來的地方。Cellink的人員團隊擴張?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。“我們是將它們捐獻給科學?！奔犹倩魻柲房嘈χf。

但加藤霍爾姆非常清楚的一點是：現(xiàn)在就是生物打印的時代?！白鳛橐晃黄髽I(yè)家，你總是得尋找藍海?！彼f，“企業(yè)家們總是會問，‘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?！?

他一臉難以置信地搖頭道，“之前竟然沒有人做生物墨水!”

加藤霍爾姆樂于承認的一點是，生物打印是一種超現(xiàn)實的概念，是一種會引發(fā)一些倫理擔憂的概念。它的運行原理跟常見的3D打印非常相似：你先利用計算機程序做出你想要制造的東西的虛擬形態(tài)，然后讓打印機一點一點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，生物打印機帶來了創(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)們認為，最終他們將能夠從頭打造復雜的器官，比如心臟和肝臟。這些器官到時候或許可以應(yīng)用于人類的移植。

全球各地的研究

全球各地的科學家和商業(yè)公司都在涉足該類項目。事實上，某種競賽已經(jīng)打響。圣地亞哥的Organovo自2007年便開始進入該領(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)達成合作，計劃提供3D打印皮膚。他們的最終目標是免去進行動物試驗的需要。

歐萊雅正在投入大量的資源來發(fā)展生物打印項目。去年9月，該公司透露，它的科學家也在與法國創(chuàng)業(yè)公司Poietis展開合作。這一次的目標是，打造合成毛囊。該項目實際上極其復雜：每個毛囊有超過15種不同類型的細胞，涉及一個需要在試管里進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目。關(guān)鍵在于Poietis所開發(fā)的生物打印機：大多數(shù)的機器通過噴嘴來擠壓出生物墨水;而他們的機器使用逐個存儲細胞的激光，每秒可滴出1萬滴，而且完全不會損害到細胞?！八倪\作方式實際上非常簡單，類似于噴墨打印。”Poietis的CEO兼首席科學官法比安·吉列莫特(Fabien Guillemot)在公布該合作的視頻中解釋道，“通過連續(xù)不斷地在一個表面上分層堆放細胞微滴，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。“第四個維度是時間?！奔心卣f道?！坝捎谖覀兊募す廨o助生物打印技術(shù)基本上能夠一次打印一個細胞，它使得我們可以引導細胞和它們所在的環(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變得更加有效，因為它現(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)的影響力可能遠不局限于超市中的化妝品區(qū)域。

如果皮膚能夠在實驗室中打印出來，不難想到它將會被應(yīng)用于治療嚴重燒燙傷的皮膚。目前，皮膚移植手術(shù)是最常見的皮膚燒燙傷治療方式，但它會導致出血和感染，復原時間也通常很長。

與此同時，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)。“很顯然，我們的未來目標是，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τ谌祟惗杂兄薮蟮暮锰??！奔犹倩魻柲繁硎荆澳銜劳鍪且驗槟愕钠鞴贂儔?。這就是你會死的原因。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)實還差一點。但差得并不是很遠：加藤霍爾姆認為，生物打印皮膚可能還有5年就可以實現(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軟骨的植入。”他說，“器官更換，在我們的有生之年可以實現(xiàn)。”他笑著補充道：“在我們的有生之年可以實現(xiàn)。”

不可避免地，生物打印已經(jīng)引發(fā)了一些倫理擔憂。它們包括：擔心人造皮膚和植入物的質(zhì)量和有效性，指責生物打印將會讓人類“扮演上帝的角色”。對于這些問題，最全面的調(diào)查也許是愛丁堡大學科技與創(chuàng)新研究系的團隊所進行的一項調(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)導的研究團隊對于像《科學怪人》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?！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

他們認為，3D生物打印技術(shù)需要克服的一個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鉀Q長長的器官移植等候者名單的問題，但那不大可能會發(fā)生?！斑@是一項極其昂貴的技術(shù)，要是它能實現(xiàn)，那也將只有少部分人能夠承擔費用。”韋爾默朗警告稱，“當前存在的健康不平等和各地的醫(yī)療保健待遇差異，可能也將會讓很多人用不到該項技術(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，“在生物打印時代也將會延續(xù)?！?

“你可能會想，將相對便宜的生物打印機出口到醫(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器可帶來的治療。但事實上，這些打印機只能夠用于有能力利用它們的醫(yī)療保健基礎(chǔ)設(shè)施當中?！?

蘇黎世應(yīng)用科技大學運轉(zhuǎn)中的RegenHU 3D生物打印機

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等最好的機器定價都超過15萬英鎊，因此，它們通常只能在高校實驗室里看到。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生物打印機的昵稱，他常常將它帶到各種貿(mào)易展會展示。

Cellink打造的3D生物打印機，比酒店房間的小冰箱還小

Inkredible+是一臺很有吸引力的機器：體積略小于酒店房間的小冰箱，干凈，采用白色設(shè)計，配備藍色LED燈。但它真正吸引眼球的地方在于它的價格。Cellink打造了三款3D生物打印機，售價從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，部分因為他們使用劃算的3D打印機部件，而不是超昂貴的電動機導軌系統(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生物打印機的人越多，它銷售的生物墨水就會越多。

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院、哈佛大學、英國倫敦大學學院等知名高校，與此同時，它也向業(yè)余愛好者提供該項新技術(shù)。加藤霍爾姆不知道這些人將會如何利用他們的機器和墨水——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。

“因為我們的產(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，“但老實說，消費者才是驅(qū)動市場的人，消費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在哪里誕生。我不知道它會誕生于印度、日本、南美洲還是紐約，但我們想要給予每一個人研究治療辦法的機會?！?

打印人類心臟的挑戰(zhàn)

我們?yōu)槭裁磿胍锎蛴⌒呐K呢?

除了幾何結(jié)構(gòu)以外，心臟是人體中復雜程度最低的器官之一。它不會像肝臟和腎臟那樣進行復雜的生物化學反應(yīng)，它的運作原理也已經(jīng)為科學家所理解，不同于大腦等其它的器官?；诖耍呐K理論上可能是最容易進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人在等候進行心臟移植，當中不少人需要新的心臟已經(jīng)超過兩年時間。

如何生物打印心臟?

最有希望的方法可能是生物打印的細胞支架。生物打印機會先被用于打印可生物降解的心臟支架結(jié)構(gòu)(相當于細胞的骨架)，而不是像要打印塑料或者金屬的3D打印機那樣，一層層打印活細胞來形成3D結(jié)構(gòu)。這種支架會模擬心臟的細胞外基質(zhì)，后者可為細胞提供結(jié)構(gòu)性支持，以及幫助引導它們到達它們應(yīng)該到達的地方。接著，心臟細胞會被打印到支架中，在支架里面，它們會進行交互，并鏈接形成心臟的結(jié)構(gòu)。在細胞融合到心臟的整個結(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)確實已經(jīng)存在，盡管應(yīng)用范圍還比較小。有個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心臟完全是兩碼事。但為什么會這樣呢?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胞還小的毛細血管更是幾無可能。制造出可行的血管系統(tǒng)會是一項非常了不起的成就，美國宇航局(NASA)甚至要為首個能夠做到的研究團隊提供50萬美元的獎金。它發(fā)起的血管組織挑戰(zhàn)賽將會向可在試管中存活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金。

我們距離生物打印人體器官還有多遠?

器官生物打印什么時候才會變得可行呢?業(yè)界的預測各不相同，有個團隊聲稱他們將能夠在6年內(nèi)生物打印出心臟。沒有人知道這些技術(shù)將會被認證為可安全用于人類移植的確切時間。然而，鑒于當前從事3D生物打印行業(yè)的研究科學家不在少數(shù)，加之這一到2021年規(guī)模預計將超過13億美元的行業(yè)已經(jīng)取得不少的進展，可以確定它離我們并不是很遙遠。