發(fā)布日期：2017-05-17
關(guān)注科技的朋友們對(duì)3D打印的概念一定不陌生。自這個(gè)概念問世以來，3D打印技術(shù)逐漸在醫(yī)學(xué)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。先前，美國(guó)密歇根大學(xué)（University of Michigan）的醫(yī)生們就曾3D打印了一個(gè)支架，撐開了一名嬰兒的氣管，從而挽救了他的生命。今日，西北大學(xué)（Northwestern University）的一支團(tuán)隊(duì)更是利用3D打印技術(shù)，制作出了一款里程碑式的人工卵巢，登上了諸多科技網(wǎng)站的主頁。
這款3D打印卵巢的特別之處在于，它在小鼠的體內(nèi)非但沒有造成不良影響，還能正常工作。多只移植入這款人工卵巢的小鼠也成功當(dāng)上了媽。這項(xiàng)在科技網(wǎng)站刷屏的研究今日在線發(fā)表在了《自然》子刊《Nature Communications》上。
▲本次3D打印的卵巢對(duì)生物醫(yī)學(xué)來說有里程碑的意義（圖片來源：WIRED）
對(duì)于女性來說，卵巢是不可或缺的生殖器官。然而在某些情況下，遺傳變異、卵巢疾病、或是放療化療會(huì)給卵巢帶來不可逆轉(zhuǎn)的影響，破壞它們的功能。這不但讓許多人“成為母親”的夢(mèng)想破滅，更會(huì)讓這些女性的激素分泌出現(xiàn)紊亂。因此，如果能利用先進(jìn)的醫(yī)學(xué)技術(shù)制造出有正常功能的人工卵巢，就能極大地改善這些女性的生活質(zhì)量。
這正是西北大學(xué)的著名科學(xué)家Teresa Woodruff教授想要做的。這名研究的共同資深作者指出，卵巢內(nèi)充滿了卵泡，它們是一群還沒有發(fā)育成熟的卵子，被分泌激素的細(xì)胞包圍。而“卵巢的作用是引導(dǎo)這些卵泡逐漸變成熟，并每月生成卵子。”因此，如果想要制造人工卵巢，首先就要模擬好卵巢與卵泡之間相互依存的結(jié)構(gòu)。
▲本研究的主要負(fù)責(zé)人之一Teresa Woodruff教授（圖片來源：西北大學(xué)）
去年，這群研究人員利用化學(xué)試劑，移除了人類卵巢中的卵泡、血管、以及其他組織，僅留下一個(gè)由膠原組成的復(fù)雜支架。在顯微鏡下，研究人員發(fā)現(xiàn)，這個(gè)支架結(jié)構(gòu)互相交織，組成了一個(gè)個(gè)小格。“這就好像人類的骨骼在體內(nèi)支撐起我們的血肉一樣，” Woodruff教授說：“每一個(gè)器官都有一個(gè)細(xì)胞外的基質(zhì)。它們由堅(jiān)硬的材料組成，就好象是腳手架。”
如果能打印出這個(gè)支架，我們或許就能制作出卵巢的基本結(jié)構(gòu)。
這里要提一下3D打印的原理。它就好像普通的打印機(jī)一樣，一般需要液態(tài)的“墨水”。與眾不同的是，這些“墨水”在空氣中會(huì)逐漸固化，形成堅(jiān)硬的結(jié)構(gòu)。對(duì)于打印生物器官來說，也同樣如此——研究人員需要找到一種具有生物相容性的材料，在液體的情況下將它打印出，并讓它們逐漸形成固體結(jié)構(gòu)。這不是一件輕松的活。
▲3D打印出的卵巢支架堪稱藝術(shù)（圖片來源：《Nature Communications》）
一名充滿天賦的博士生解決了這個(gè)問題。她使用的是明膠（gelatin），即一種在很多動(dòng)物卵巢內(nèi)都很常見的天然膠原。隨后，她摸索發(fā)現(xiàn)，30度左右是最適合打印的溫度。如果溫度太高，打出來的結(jié)構(gòu)還沒凝固，就會(huì)在重力的作用下出現(xiàn)下垂。如果溫度太低，明膠還沒跑到正確的位置，就會(huì)凝結(jié)成團(tuán)。這些發(fā)現(xiàn)一舉攻破了人工卵巢3D打印的難題。
于是，研究人員制作出了人工卵巢支架的原型——在1.5厘米見方的空間上，研究人員“織”出了多種支撐卵巢的支架，它們的密度各有不同。隨后，他們?cè)谄渲蟹湃肓诵∈蟮穆雅?，觀察它們的生長(zhǎng)情況。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，卵泡在那些“織”得越密的結(jié)構(gòu)中生長(zhǎng)得越好，并能在體外存活長(zhǎng)達(dá)8天。這也許是因?yàn)樗鼈兡艿玫礁玫慕Y(jié)構(gòu)支持。
▲卵泡在3D打印出的支架中生長(zhǎng)良好（圖片來源：西北大學(xué)）
在體外實(shí)驗(yàn)取得了理想的結(jié)果后，研究人員轉(zhuǎn)向了體內(nèi)實(shí)驗(yàn)。他們?cè)?D打印的卵巢支架上留出了一批2毫米大小的小孔，并在每個(gè)小孔中植入了一個(gè)卵泡。這樣，一個(gè)人工制造的卵巢就形成了。隨后，他們將這些人工卵巢移植入了7只卵巢被移除的小鼠中，觀察人工卵巢在生物體中的實(shí)際表現(xiàn)。
在焦急的等待中，研究人員先觀察到了一個(gè)積極的現(xiàn)象——在小鼠體內(nèi)，血管逐漸滲透進(jìn)了這些3D打印的卵巢。這對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)的意義重大。血管為這些卵泡提供了氧氣與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并能將它們產(chǎn)生的激素通過血液循環(huán)帶到全身。這些現(xiàn)象也暗示著這些3D打印的卵巢有望行使天然卵巢的功能。
果不其然！這些小鼠先是出現(xiàn)了排卵周期，又有3只小鼠在交配后順利產(chǎn)下了后代。這些新出生的小鼠一切正常，甚至自己都當(dāng)上了爹媽。研究人員觀察了好幾代小鼠的情況，結(jié)果堪稱完美。他們也因此確認(rèn)人工卵巢沒有對(duì)小鼠帶來任何明顯的副作用。
▲這些植入3D打印卵巢的小鼠，順利產(chǎn)下了后代（圖片來源：techcrunch）
興奮之余，Woodruff教授已經(jīng)將目光投向了遠(yuǎn)方。她說，團(tuán)隊(duì)的下一步計(jì)劃是在制作在豬里也能正常工作的卵巢。由于豬的器官與人的器官尺寸接近，生理周期也相似，這有望推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)最終應(yīng)用于人體。更關(guān)鍵的是，這項(xiàng)研究使用的明膠是FDA批準(zhǔn)的材料，這也會(huì)加速它的開發(fā)與審批。
卵巢是一種復(fù)雜的器官，它不但與大腦通過激素相聯(lián)系，其生理周期還會(huì)定期影響一次血管。本項(xiàng)研究的成功也讓科學(xué)家們攻克其他器官的3D打印任務(wù)信心滿滿。未來，更多通過3D打印的器官或?qū)柺?，造福那些需要進(jìn)行器官移植的患者。
參考資料
[1] A bioprosthetic ovary created using 3D printed microporous scaffolds restores ovarian function in sterilized mice
[2] Scientists 3D-printed ovaries and made mouse babies
[3] 3D-printed ovaries restore fertility in mice
[4] Scientists 3-D Print Mouse Ovaries That Actually Make Babies
來源：學(xué)術(shù)經(jīng)緯
