發(fā)布日期：2018-07-03
上個月，一件模仿人類呼吸道上半部分的復(fù)制品正式面世——用膠原蛋白制作的人類氣管以及兩個支氣管。膠原蛋白是組成人體必不可少的結(jié)合劑，它給予了這件復(fù)制品光滑的質(zhì)地以及空心的結(jié)構(gòu)，摸起來就像還沒煮熟的意大利面。
這個氣管的復(fù)制品出自于一臺只有冰箱大小的 3D 打印機，由位于新罕布什爾州曼徹斯特的聯(lián)合治療公司（United Therapeutics）提供。聯(lián)合治療公司每年通過銷售肺部治療藥物，營業(yè)額達到十億美元之多。
最近，公司聲稱將用類似的打印機生產(chǎn)“無限量多”的人肺以解決現(xiàn)今捐獻器官的嚴重短缺問題。
生物打印并不是什么新鮮事。我們知道，3-D 打印機已經(jīng)能夠制造人類的皮膚、視網(wǎng)膜等。不過這個技術(shù)目前只適用于制造那些尺寸非常小、輕薄而且沒有血管的組織細胞。為了突破這個限制，聯(lián)合治療公司決定在未來幾年，專注研發(fā)一款能夠生產(chǎn)更高質(zhì)量人肺的打印機——它能打印出牢固而有彈性且細節(jié)突出的人肺替代品，包括氣道所有的 23 條分支、能夠交換氣體的肺泡和極其細致的毛細血管網(wǎng)絡(luò)。
在公司看來，一開頭提到的用膠原蛋白做的人肺替代品根本不算什么，因為這就好比一只橡膠做的玩具雞和一只真正母雞是無法相提并論的。因此，聯(lián)合治療公司計劃讓器官復(fù)制品浸潤在人類細胞基質(zhì)中，從而使人類細胞附著和滲透在器官里，讓器官“活”起來。來自產(chǎn)品研發(fā)的一位項目負責人 Derek Morris 說，他們正在嘗試建造一個小型粘附室，讓細胞能在里面發(fā)育生長。
器官制造大亨
這次的 3-D 打印項目是公司 CEO Martine Rothblatt 發(fā)起的一系列投資巨大的工程項目之一。她曾經(jīng)是天狼星衛(wèi)星廣播公司的創(chuàng)始人，不過在上世紀九十年代因女兒被診斷出一種罕見的肺部疾病而改變了工作。
創(chuàng)建聯(lián)合治療公司之時，Rothblatt 將賭注放在一款已不被人看好的價值 25000 美元的藥物，使她成為去年生物制藥產(chǎn)業(yè)收入最高的 CEO。同時，她也創(chuàng)下了電動直升機的最快操作紀錄，她還說，未來當病人需要她公司生產(chǎn)的器官時，電動直升機就能將產(chǎn)品送達。
聯(lián)合治療公司一直都冒險走在這個產(chǎn)業(yè)的前沿。旗下的 Revivicor 子公司就已向手術(shù)實驗領(lǐng)域供應(yīng)過來自轉(zhuǎn)基因豬的心臟、腎臟以及肺（目前只被用在狒狒身上）。另一家名叫肺部生物工程 （Lung Bioengineering）的子公司將別人捐獻的肺進行“整修”，通過向這些本來要丟棄的肺中加入溫度適宜的溶液，這些肺已經(jīng)被 250 名肺疾病患者重新利用。
盡管如此，Rothblatt 承認，想要打印出完全和人肺一模一樣的替代品至少還需要 12 年的時間。不過，聯(lián)合治療公司在打印完整的器官這一產(chǎn)業(yè)里是規(guī)模最大的一家。去年，南卡羅來納州的一家名叫 3D 系統(tǒng)的公司（3D Systems）被收購；另一家名叫 3Scan 的公司也被納入囊中，他們將仔細研究人肺的切片，并制造出完整的人肺內(nèi)部的結(jié)構(gòu)圖。
聯(lián)合治療公司的器官生產(chǎn)部門位于 BioFabUSA 公司（由美國國防部管理、價值 8000 萬美元的打印組織細胞的企業(yè)）的舊紡織廠。作為 BioFabUSA 的高管和重要投資人，Dean Kamen 說，與 Rothblatt 的會面促使他做出了向政府申請管理 BioFabUSA 的決定。此次會面讓他看到了 Rothblatt 公司的巨大潛力，同時也看到當今的生物打印儀器是多么的匱乏。
3-D 打印技術(shù)概覽
如今這款使用膠原蛋白的 3D 打印系統(tǒng)依照光造形術(shù)（stereolithography）的原理來工作。當紫外線掃過一整堆參雜感光分子（photosensitive molecules）的膠原蛋白時，膠原蛋白就會固化。漸漸地，先做好的一層材料位置就被降低、放到底層，新的一層又在此基礎(chǔ)上繼續(xù)被制造出來。
據(jù)公司介紹，這款打印機能夠打印出分辨度為 20 微米的膠原蛋白。但是想要打印出具備很多細節(jié)的肺，即使是微米級別的精度也不夠。
據(jù)來自 3D Systems 公司的生物打印部門負責人 Pedro Mendoza 評論說，肺部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，無論用機器制作還是用模具澆筑都比不上 3D 打印技術(shù)的精細度。她還補充說，公司決定從半導體產(chǎn)業(yè)挖掘思路，比如光掩膜、反射鏡和功能更強大的射線等等都能幫助提高打印機的產(chǎn)品的分辨率。目前的打印技術(shù)速度也欠佳，打印整個肺的支架結(jié)構(gòu)可能需要一整年的時間。
生物打印技術(shù)的其他應(yīng)用
一些生物打印的組織幾乎可被用到醫(yī)療領(lǐng)域。最近，來自西班牙的一個研究團隊打印出他們認為能夠為燒傷病人所用的皮膚替代品。不過，現(xiàn)今打印出的組織只有紙那么薄，因為其中沒有血管。面積再大一點的組織有可能還會提早衰亡。
雖然有些研究者已經(jīng)打印出活體血管的原型，不過這些都還是處于非常初級的階段。美國 NASA 提出要獎勵首位打印出有一厘米厚活體組織的科學家（30 萬美元），但是到目前為止，獲獎人依舊沒出現(xiàn)，更別提打印出重達三磅的肺將會面臨多少困難和挑戰(zhàn)。
Sharon Presnell 來自加州的 Organovo 公司，這家公司主要負責打印又薄又有彈性的肝切片。他說，好多公司都忙著打印出完整的器官，但談?wù)撨@些可能都為時尚早了。“我們?nèi)ツ睦镎业侥軌虼蛴〕鋈绱舜蟮拿}管系統(tǒng)（vasculature）的材料呢？這個材料又能承受多大的壓力呢？”Presnell 闡述了他的疑惑。
怎么把細胞加到打印好的模型中？
在說到如何使模型活起來時，聯(lián)合治療公司認為當前的壓制技術(shù)還有很多問題。這種壓制技術(shù)（extrusion methods）試圖將細胞和蛋白質(zhì)通過非常細的針擠壓到打印好的模型中。器官生產(chǎn)部的負責人、生物工程師 Luis Alvarez 評價說，這就像把充滿水的氣球推進一根吸管一樣那么難——細胞的尺寸很明顯限制了打印的分辨率。
因此，他們決定先將肺的支架結(jié)構(gòu)打印好，然后把它和人體細胞相結(jié)合。這個過程又被叫做再細胞化。其實在早些時候，有團隊就發(fā)現(xiàn)膠原蛋白做的模型其實能被轉(zhuǎn)換成真正工作的肺。今年，哈佛大學實驗外科醫(yī)生 Harald Ott（聯(lián)合治療公司資助了一部分）向外界宣稱，他將幾十億來自臍帶和肺切片的人類細胞注入到了已失去自身細胞的豬的肺部。當這個經(jīng)過整修的肺與豬的循環(huán)系統(tǒng)相連時，他們發(fā)現(xiàn)，肺的基本功能已經(jīng)恢復(fù)。不過這個實驗只持續(xù)了一個小時。
波士頓大學的干細胞生物學家 Finn Hawkins 認為，在這次試驗中，血液循環(huán)和氣體交換已經(jīng)成為可能了。但是，想要成功移植器官還有很長的路要走。首先，Ott 的實驗里缺少了重要的幾種細胞，包括能夠幫助排出痰的波狀纖毛；其次，我們不知道去哪里找大量的人體細胞以支撐整個器官打印行業(yè)。目前，已去世的人捐獻的肺也無法滿足這一需求。
聯(lián)合治療公司打算用干細胞大量生產(chǎn)試驗所需的組織，但是他們承認，這也不是一件容易的事。
對新器官的憧憬
如果器官都能大批量生產(chǎn)出來的話，這不僅僅能解決器官短缺的問題，也許還會延長人類的壽命。想象一下，八十歲的你重新?lián)Q了一個心臟或肺會怎么樣呢？
為了實現(xiàn)這個目標，聯(lián)合治療公司也許應(yīng)該一步一步完善技術(shù)，而不是試圖包攬一切。但是 Alvarez 認為，公司還是決定要同時發(fā)展 3D 支架打印、再細胞化以及用干細胞生產(chǎn)肺組織的技術(shù)，因為未來這些技術(shù)可能會走到一起。他說：“當我們把肺最精細的一部分打印出來以后，我們就知道如何再細胞化了。”
來源：DeepTech深科技
