人体器官3D打印时代或在十年内到来

3D打印资讯
2022
06/24
17:36
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来源:参考消息

美国有线电视新闻网网站6月10日刊登题为《我们何时能3D打印器官?谁能买得起?》的报道,作者为克里斯滕·罗杰斯。全文摘编如下:

如果医生能利用患者的细胞打印肾脏,而不必寻找与之匹配的捐献器官并担忧被患者的身体排斥,情况会怎样?哈佛大学维斯生物工程研究所的珍妮弗·刘易斯教授说,借助生物3D打印技术,这一愿望最快可能在十年内实现。研究称,器官生物打印是利用3D打印技术,以逐层方式组装多种细胞类型、生长因子和生物材料,以制造出完美模仿天然器官的人造器官。

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△图片来自:ETH Zürich   3D打印心脏

刘易斯说,这种再生医学处于研发阶段,其背后的驱动力是“人类实实在在的需求”。

绝望的等待
美国卫生资源和服务局称,截至6月10日,美国的全国器官移植等待名单上有10.6万名成年人和儿童。然而,由活体捐献者提供的器官平均每年仅有约6000个,同时,每年约有8000名死者捐献器官,一名死者平均提供3.5个器官。

美国韦克福雷斯特大学再生医学学院的安东尼·阿塔拉博士说,尽管活体捐献者是选择之一,但“给不需要手术的人做手术”风险很大。他说:“亲属捐献通常不是首选方式,因为这样做是将器官从日后可能需要它的人身体里取走。”

卫生资源和服务局称,每天有17人在对移植器官的等待中死去。2021年,移植名单上超过90%的人需要肾脏。刘易斯说:“全世界约有100万人需要肾脏。他们到了肾功能衰竭终末期,必须进行透析。透析给身体的负担很大,每过一年,患者的死亡几率都显着增加。因此,解决器官3D打印这一重大挑战的动力真的很大。”
联合治疗公司首席执行官兼董事长马蒂娜·罗思布拉特说:“我们正在利用技术来解决这个问题。”

神奇的墨水
开启生物打印器官这一过程,医生通常从患者自身的细胞开始。阿塔拉说,他们对一个器官进行小针活检,或进行微创手术,取出一小块组织,“大小不到一枚邮票的一半”。“利用取下的这点组织,我们能够把细胞拆出来,并继续体外培育。”他说。

刘易斯说,培育在无菌培养器或生物反应器内进行,这是一种加压不锈钢容器,可帮助细胞获得足够养分。医生每24小时给它们喂一次养分(培养基),因为细胞有其自身的新陈代谢。细胞类型不同,所需养分也各不相同。

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△图片来自:ETH Zürich   3D打印心脏

阿塔拉说:“然后,我们将它与凝胶混合,凝胶就像一种胶水。你体内的每个器官都由细胞以及将其粘在一起的胶水构成。”

刘易斯说,胶水是阿塔拉对生物墨水的昵称,生物墨水是一种可打印混合物,其成分包括活细胞、被称为水凝胶的富水分子、培养基和帮助细胞继续增殖和分化的生长因子。水凝胶模拟的是人体的细胞外基质——它含有蛋白质、胶原蛋白和透明质酸等物质。

阿塔拉表示,除细胞以外,这种胶水的其他成分都可在实验室制造,而且它“将具有与你试图替换的组织同样的特性”。

刘易斯说,通常使用的生物材料必须是无毒、可生物降解和生物兼容的,以避免产生不利的免疫反应。胶原蛋白和明胶是生物打印组织或器官时最常用的两种生物材料。
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见证奇迹的时刻
然后医生将每种生物墨水——墨水种类取决于他们想打印几种细胞类型——装入打印盒,“用打印头和喷嘴挤出生物墨水,逐层将材料堆积起来”。阿塔拉说,可以把患者的X射线或扫描图像数据输入打印机,从而打印出具有个性化特征的组织。“彩色打印机有几个不同颜色的墨盒,(最终)会调配出你想要的颜色。”生物打印也一样;只不过用的是细胞而不是传统的墨水。
刘易斯说,打印过程所需时间长短取决于几个因素,包括要打印的器官或组织类型、分辨率的高低以及所需打印头的数量。但通常持续几个小时。阿塔拉说,从活检到植入的整个过程,大约需要4到6周。

刘易斯说,终极挑战是“让器官发挥应有功能”,做到这一点等于得到“圣杯”。

她还说:“就像从捐献者那里摘取器官时一样,你必须立即将器官置于生物反应器中并开始灌注,否则细胞会死亡。”灌注就是给器官提供液体(通常是血液或血液替代品),通过血管或其他渠道使之循环。

刘易斯表示,取决于器官的复杂程度,有时需要在生物反应器中让组织进一步成熟,或促进相应部位的连接。她说:“要让这个打印出来的器官像天然器官一样在体内正常运转,需要解决一些‘管道疏通’问题和挑战。这些问题尚未完全解决。”

生物打印出来的器官植入患者体内后,会随时间自然退化——没关系,这符合我们的预期。

阿塔拉说:“那么,接下来组织会怎样?它会散架吗?不会。这些胶水会溶解,细胞会感觉到‘桥’在倒塌;细胞会感觉到自己的根基不再牢靠。于是,细胞会在你体内造出属于自己的桥、造出属于自己的胶水。”

△BIOLIFE4D的3D生物打印平台

用得起的价格
在估计向人体植入功能正常的生物打印器官要多少年才能实现时,阿塔拉和刘易斯是保守的。刘易斯说:“我认为这会是十年后的事,尽管我们已经取得上述重大进展。”

阿塔拉认为:“在制造和监管方面,影响因素太多了。当然是首先确保这些技术对患者来说是安全的。”无论生物打印器官何时能成为现实,患者及其家人能否用得起都不应该成为问题。

阿塔拉说,它们的成本“肯定是可以承受的”。“与器官衰竭相关的费用非常高,仅仅让一名患者接受透析每年就需要25万美元。因此,制造一种可以植入患者体内的器官要便宜得多。”

美国肾病学会公布的数据显示,2020年肾脏移植费用平均为44.25万美元——而3D打印机的零售价从数千美元至10万美元不等,取决于其复杂程度。不过刘易斯说,尽管可以获得低价打印机,但生物打印的昂贵之处包括为患者维护细胞库、培养细胞和安全处理生物材料。

刘易斯说,目前器官移植的主要成本包括“从捐献者体内获取器官,运输成本,然后是移植手术,以及所有的护理和监控。其中一些成本仍将存在,即使器官是3D打印的”。



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