活體腎臟移植排隊要等多久？醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室如何有效教學(xué)？制藥研發(fā)必須使用動物或人體試驗(yàn)嗎？
 

    日前，來自杭州電子科技大學(xué)的科學(xué)團(tuán)隊自主研發(fā)出一臺生物材料3D打印機(jī)。通過這臺打印機(jī)，使用水凝膠及人體活細(xì)胞作為材料，已經(jīng)成功打印出較小比例的人類耳朵軟骨組織、肝臟單元、腎臟單元、血管……甚至人臉。
 

    科學(xué)家預(yù)計未來10~15年，打印活體"肝"、"腎"并進(jìn)行移植將有望推廣。

    屆時，人類益壽延年并非南柯一夢。

    8月9日，在杭州電子科技大學(xué)2號教研樓332實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，本報記者見證了打印機(jī)打印人體器官。

    活細(xì)胞存活率達(dá)90%

    這臺通體黑色，重達(dá)50公斤，一臺縫紉機(jī)大小名叫"Regenovo"的機(jī)器，打印的就是人類耳朵軟骨組織，構(gòu)成肝臟的肝單元組織、血管等。這臺打印機(jī)"干活"非常迅速，打印一個比例稍小的耳朵或鼻子只需半小時到1小時，一張手心大小的人類臉部面具，大約只需4小時，耗費(fèi)的水凝膠材料也不過50毫升。

    "Regenovo"的主要開發(fā)者杭州電子科技大學(xué)生命信息與儀器工程學(xué)院教授徐銘恩把水凝膠和人體活細(xì)胞比作"搭金字塔"的磚與水泥。除了活細(xì)胞，"Regenovo"還可使用多種生物材料。此前，徐銘恩的團(tuán)隊將用它打印出骨骼支架用在小鼠的大腿外側(cè)實(shí)驗(yàn)，生物材料降解后，產(chǎn)生許多軟骨，獲得成功。

    幾天前，來自浙江大學(xué)、解放軍117醫(yī)院等多位教授對"Regenovo"進(jìn)行鑒定。這份鑒定報告讓徐銘恩與他的團(tuán)隊被外界關(guān)注。

    這份報告稱，與國際同類的生物3D打印機(jī)相比，"Regenovo"不僅率先實(shí)現(xiàn)無菌條件下的生物材料和細(xì)胞3D打印，新型的溫控單元和打印噴頭設(shè)計，能夠支持從-5℃到260℃熔融的多種生物材料打印。同時，打印出的人體活細(xì)胞有著高達(dá)90%的存活率。目前打印的活細(xì)胞存活時間最長為4個月。

    造"活器官"不再是夢

    在從2000年就開始從事生物醫(yī)學(xué)工程研究的徐銘恩看來，生物3D打印屬于生物制造的概念范疇，生物制造就是以先進(jìn)制造技術(shù)去解決生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)中的問題。我國在生物制造領(lǐng)域一直處于世界前列水平，清華大學(xué)的顏永年教授是這一領(lǐng)域的先驅(qū)。

    徐銘恩認(rèn)為，當(dāng)3D打印與醫(yī)學(xué)影像建模、與仿真技術(shù)結(jié)合后，能夠在人工假體、植入體、人工組織器官制造方面產(chǎn)生巨大推動效應(yīng)。比如假牙和假肢的應(yīng)用，能根據(jù)每個人的特定情況"量身定做".在目前技術(shù)發(fā)展下，未來15~20年，人類有可能擁有一個自身細(xì)胞打印的肝臟器官用于移植。

    "好技術(shù)就應(yīng)該拿出來分享",36歲的徐銘恩說，這是他的導(dǎo)師、清華大學(xué)教授顏永年對他說過的一句話。

    目前精度還不夠

    盡管活細(xì)胞打印，開啟了人類打印器官組織的研究活動，但從實(shí)驗(yàn)室到真正醫(yī)療運(yùn)用，乃至器官移植仍需要時間。"主要是精度還不夠",徐銘恩說，用"Regenovo"打印的肝單元結(jié)構(gòu)，比普通細(xì)胞大五倍。"這好比電腦屏幕的分辨率，生物3D打印的細(xì)胞比正常細(xì)胞要粗糙5倍。"而且，人類對細(xì)胞認(rèn)識與研究還不夠，可供3D打印的細(xì)胞種類仍不多。

    參與"Regenovo"鑒定的浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)部基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)系教授李繼承認(rèn)為，未來器官打印或者可以緩解腎臟、肝臟移植問題。但離開人體環(huán)境，如何讓不同于干細(xì)胞的神經(jīng)細(xì)胞生存，如何在打印肝臟的同時解決肝臟內(nèi)部循環(huán)的問題，還需要多學(xué)科參與研究。

    今年下半年，從立項到完成僅1年，研發(fā)投入人民幣100萬元的"Regenovo"生物3D打印機(jī)將開始為大學(xué)實(shí)驗(yàn)室、研究型醫(yī)院、生物醫(yī)藥公司等提供技術(shù)服務(wù)。

    腎臟打印全過程

    在實(shí)驗(yàn)室里，一張普通桌子上，擺放著純黑色的生物3D打印機(jī)主機(jī)。生物打印主機(jī)長、寬、高分別是64厘米、50厘米、70厘米。跟此前的制造型3D打印機(jī)不同，生物3D打印機(jī)還有一個黑色"上行機(jī)",兩者加起來的體重是50公斤。此外，生物3D打印機(jī)主機(jī)的噴口僅有80微米，以此保持精準(zhǔn)度。

    通過掃描在電腦中形成以三維設(shè)計模型為基礎(chǔ)的成像"圖紙",然后3D打印機(jī)再通過分層離散和數(shù)控成型的方法用活細(xì)胞與水凝膠來搭建器官。搭建完畢后，打印出來后的細(xì)胞支架還要進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)胞培養(yǎng)，誘導(dǎo)形成具有功能的組織和器官，最后，完成歷史使命的水凝膠也會降解。

    在打印過程中，本報記者看到，從細(xì)小的噴頭里會擠出肉眼仔細(xì)觀察才能看到的含有活性細(xì)胞的水凝膠。就像擠奶油拉花一樣，纖細(xì)的水凝膠從噴頭噴出，在機(jī)器作用下，一層又一層地有序排列。剛出來的水凝膠是半透明的，隨著一層層疊加，最后逐漸顯現(xiàn)出象牙色的器官組織形狀。打印完后，記者用手輕觸迷你的腎組織，感覺很有彈性。

    按照目前技術(shù)，打印的活體組織與血管不能同時形成。與大多數(shù)人想象的活體器官不一樣，打印器官沒有血色，也沒有血管和神經(jīng)。

    對話徐銘恩

    "通過努力，在我們這代人中實(shí)現(xiàn)延年益壽"

    記者：生物3D打印中的活細(xì)胞和水凝膠造價貴嗎？

    徐銘恩：活細(xì)胞是從人體血液或骨髓中提取的干細(xì)胞。水凝膠成本不算貴，50毫升幾十元。

    記者：目前，活細(xì)胞打印技術(shù)還有哪些難題？

    徐銘恩：首先是細(xì)胞精度。目前，我們打印的精度比正常組織結(jié)構(gòu)要大5倍。打個比方，細(xì)胞是小朋友。雖然功能都一樣，但我們制造的小朋友比體內(nèi)的小朋友要大5倍，要移植到體內(nèi)，還需要有精度。其次就是如何讓這些小朋友手拉手，分好區(qū)，有序地站在一起。

    記者：如果生物打印跟細(xì)胞精度有關(guān)，未來是否可以像科幻片一樣，打印出超出人類精度的組織，甚至是超人？

    徐銘恩：我認(rèn)為不太可能。因?yàn)榧?xì)胞是從人體內(nèi)提取的。

    記者：對癌癥的攻克，主要是人類對細(xì)胞結(jié)構(gòu)認(rèn)識還不完全清楚。生物3D打印如何讓細(xì)胞有序排列？

    徐銘恩：這是個好問題。目前，生物3D打印的細(xì)胞種類還有限。而且打印的細(xì)胞組織是檢測相對應(yīng)的功能。比如，肝臟功能是排毒，打印的肝單元是否有效就是要產(chǎn)生這個功能。而不是打印出和人類完全相同的肝臟。

    記者：全世界生物3D打印器官研究，都是從肝臟、腎臟乃至心臟入手，這是為什么？

    徐銘恩：首先是實(shí)際需要，等待肝臟、腎臟移植的人特別多，而器官緊缺是一個現(xiàn)實(shí)問題。其次，相對心臟、腎臟，肝臟的一些功能實(shí)現(xiàn)比較簡單。比如，腎臟涉及到尿液隔膜，這就好比讓小朋友不僅要排隊，有些還需要面對面排隊，有些要背對背，排序特別難。心臟則更為復(fù)雜。而肝臟細(xì)胞的排列較為簡單。

    記者：生物3D打印的終極目標(biāo)是制造具有完整功能的人。你認(rèn)為人類實(shí)現(xiàn)永生可能嗎？

    徐銘恩：從秦始皇到現(xiàn)在，人類都在追求永生。從群體的角度來講，沒有死亡是非?？膳碌囊患隆＿@意味著沒有了競爭。從個體角度而言，這是人人需面對的。我認(rèn)為，通過努力，在我們這代人有生之年，實(shí)現(xiàn)人類壽命延長，還是可以實(shí)現(xiàn)的。