發(fā)布日期：2017-05-22
關注科技的朋友們對3D打印的概念一定不陌生。自這個概念問世以來，3D打印技術逐漸在醫(yī)學中得到了越來越廣泛的應用。先前，美國密歇根大學（University of Michigan）的醫(yī)生們就曾3D打印了一個支架，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（Northwestern University）的一支團隊更是利用3D打印技術，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上了媽。這項在科技網(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打印的卵巢對生物醫(yī)學來說有里程碑的意義（圖片來源：WIRED）
對于女性來說，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、或是放療化療會給卵巢帶來不可逆轉的影響，破壞它們的功能。這不但讓許多人“成為母親”的夢想破滅，更會讓這些女性的激素分泌出現(xiàn)紊亂。因此，如果能利用先進的醫(yī)學技術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量。
這正是西北大學的著名科學家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，被分泌激素的細胞包圍。而“卵巢的作用是引導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構。
▲本研究的主要負責人之一Teresa Woodruff教授（圖片來源：西北大學）
去年，這群研究人員利用化學試劑，移除了人類卵巢中的卵泡、血管、以及其他組織，僅留下一個由膠原組成的復雜支架。在顯微鏡下，研究人員發(fā)現(xiàn)，這個支架結構互相交織，組成了一個個小格。“這就好像人類的骨骼在體內支撐起我們的血肉一樣，” Woodruff教授說：“每一個器官都有一個細胞外的基質。它們由堅硬的材料組成，就好象是腳手架。”
如果能打印出這個支架，我們或許就能制作出卵巢的基本結構。
這里要提一下3D打印的原理。它就好像普通的打印機一樣，一般需要液態(tài)的“墨水”。與眾不同的是，這些“墨水”在空氣中會逐漸固化，形成堅硬的結構。對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構。這不是一件輕松的活。
▲3D打印出的卵巢支架堪稱藝術（圖片來源：《Nature Communications》）
一名充滿天賦的博士生解決了這個問題。她使用的是明膠（gelatin），即一種在很多動物卵巢內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，打出來的結構還沒凝固，就會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，就會凝結成團。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，他們在其中放入了小鼠的卵泡，觀察它們的生長情況。實驗發(fā)現(xiàn)，卵泡在那些“織”得越密的結構中生長得越好，并能在體外存活長達8天。這也許是因為它們能得到更好的結構支持。
▲卵泡在3D打印出的支架中生長良好（圖片來源：西北大學）
在體外實驗取得了理想的結果后，研究人員轉向了體內實驗。他們在3D打印的卵巢支架上留出了一批2毫米大小的小孔，并在每個小孔中植入了一個卵泡。這樣，一個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際表現(xiàn)。
在焦急的等待中，研究人員先觀察到了一個積極的現(xiàn)象——在小鼠體內，血管逐漸滲透進了這些3D打印的卵巢。這對整個實驗的意義重大。血管為這些卵泡提供了氧氣與營養(yǎng)物質，并能將它們產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下了后代。這些新出生的小鼠一切正常，甚至自己都當上了爹媽。研究人員觀察了好幾代小鼠的情況，結果堪稱完美。他們也因此確認人工卵巢沒有對小鼠帶來任何明顯的副作用。
▲這些植入3D打印卵巢的小鼠，順利產下了后代（圖片來源：techcrunch）
興奮之余，Woodruff教授已經將目光投向了遠方。她說，團隊的下一步計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，這有望推動這項技術最終應用于人體。更關鍵的是，這項研究使用的明膠是FDA批準的材料，這也會加速它的開發(fā)與審批。
卵巢是一種復雜的器官，它不但與大腦通過激素相聯(lián)系，其生理周期還會定期影響一次血管。本項研究的成功也讓科學家們攻克其他器官的3D打印任務信心滿滿。未來，更多通過3D打印的器官或將問世，造福那些需要進行器官移植的患者。
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：學術經緯
