我們何時(shí)能夠植入3D打印器官，誰(shuí)能負(fù)擔(dān)得起？

南極熊導(dǎo)讀：根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，截至今年6月10日，美國(guó)器官移植等待名單上有106075名男性、女性和兒童。然而，活體捐贈(zèng)者平均每年只提供約6000個(gè)器官，每年約有8000名已故捐贈(zèng)者，他們每人平均提供3.5個(gè)器官，這顯然還無(wú)法滿足移植的需求。如果醫(yī)生可以直接用病人的細(xì)胞打印出一個(gè)腎臟，而不是找到一個(gè)匹配的捐贈(zèng)者，會(huì)不會(huì)從根本上解決這個(gè)問(wèn)題？

哈佛大學(xué)懷斯生物啟發(fā)工程研究所的Jennifer Lewis教授說(shuō)，3D器官生物打印技術(shù)的出現(xiàn)帶來(lái)了希望，但這種情況最快也要十年后才能實(shí)現(xiàn)。根據(jù)2019年的一項(xiàng)研究，器官生物打印是利用3D打印技術(shù)將多種細(xì)胞類型、生長(zhǎng)因子和生物材料以逐層的方式組合起來(lái)，生產(chǎn)出模仿的生物人工器官。

這種類型的再生醫(yī)學(xué)正處于發(fā)展階段，這種創(chuàng)新背后的驅(qū)動(dòng)力是 "真正的人類需求"。Lewis說(shuō)： "一些人經(jīng)歷了災(zāi)難性的健康事件，他們的器官質(zhì)量不夠高，無(wú)法捐贈(zèng)，或者他們一開(kāi)始就不在器官捐贈(zèng)者名單上，因此要找到一個(gè)好的匹配對(duì)象非常困難"。

2006年，Wake Forest 再生醫(yī)學(xué)研究所主任Anthony Atala博士和他的同事在實(shí)驗(yàn)室里手工培育人類膀胱，并首次將一個(gè)復(fù)雜的器官植入人體內(nèi) -- 挽救了三個(gè)被他們植入膀胱的兒童的生命。

△在Wake Forest 再生醫(yī)學(xué)研究所，一個(gè)膀胱支架被播種了細(xì)胞

根據(jù)美國(guó)衛(wèi)生資源和服務(wù)管理局的數(shù)據(jù)，每天有17人因等待器官移植而死亡，每9分鐘就有一個(gè)人被列入等待名單。2021年，移植名單上超過(guò)90%的人需要一個(gè)腎臟。

Lewis說(shuō)："全世界大約有100萬(wàn)人需要一個(gè)腎臟，他們有末期腎衰竭，必須進(jìn)行透析。一旦患者進(jìn)行透析，基本上就只剩下五年的壽命，而且每年的死亡率都會(huì)增加15%。透析對(duì)患者的身體來(lái)說(shuō)是非常艱難的。因此，這確實(shí)是促使我們接受打印器官這一宏偉挑戰(zhàn)的動(dòng)力。"

3D打印器官

為了開(kāi)始生物打印器官的過(guò)程，醫(yī)生通常從病人自己的細(xì)胞開(kāi)始。他們對(duì)一個(gè)器官進(jìn)行小針頭活檢，或者做一個(gè)微創(chuàng)手術(shù)，取出一小塊組織，不到郵票的一半大小。通過(guò)取這一小塊組織，能夠?qū)⒓?xì)胞分開(kāi)并且在體外生長(zhǎng)和擴(kuò)大。

這種生長(zhǎng)發(fā)生在一個(gè)無(wú)菌培養(yǎng)箱或生物反應(yīng)器內(nèi)，這是一個(gè)加壓的不銹鋼容器，幫助細(xì)胞保持營(yíng)養(yǎng)。醫(yī)生每24小時(shí)“喂養(yǎng)”一次，因?yàn)榧?xì)胞有自己的新陳代謝。每種細(xì)胞類型都有不同的培養(yǎng)基，孵化器或生物反應(yīng)器就像一個(gè)類似烤箱的設(shè)備，模仿人體的內(nèi)部溫度和氧氣。

然后將細(xì)胞與凝膠混合，這就像一種膠水，你身體里的每一個(gè)器官都有細(xì)胞和膠水，把它固定在一起，這也被稱為'細(xì)胞外基質(zhì)'。

這是一種可打印的混合物，由活細(xì)胞、稱為水凝膠的富水分子以及幫助細(xì)胞繼續(xù)增殖和分化的介質(zhì)和生長(zhǎng)因子組成。水凝膠模仿了人體的細(xì)胞外基質(zhì)，其中包含的物質(zhì)包括蛋白質(zhì)、膠原蛋白和透明質(zhì)酸。

膠水的非細(xì)胞樣本部分可以在實(shí)驗(yàn)室里制作，所使用的生物材料必須是無(wú)毒的、可生物降解的和生物相容的，以避免出現(xiàn)負(fù)面的免疫反應(yīng)。膠原蛋白和明膠是用于生物打印組織或器官的兩種最常見(jiàn)的生物材料。

打印器官的過(guò)程

醫(yī)生將生物墨水（取決于他們想要打印的細(xì)胞類型）裝入一個(gè)打印室，使用打印頭和噴嘴擠出墨水，逐層建立材料。通過(guò)用病人的X射線或掃描的成像數(shù)據(jù)對(duì)打印機(jī)進(jìn)行編程，可以創(chuàng)建具有個(gè)性化特性的組織。

使用彩色打印機(jī)，有幾個(gè)不同的墨盒，每個(gè)墨盒都打印不同的顏色，然后你得出你的（最終）顏色。生物打印也是如此；你只是使用細(xì)胞而不是傳統(tǒng)的油墨。

打印過(guò)程需要多長(zhǎng)時(shí)間取決于幾個(gè)因素，包括被打印的器官或組織，分辨率的精細(xì)程度和所需的打印頭數(shù)量。但它通常會(huì)持續(xù)幾小時(shí)。從活檢到植入的時(shí)間大約是四到六周。

△一臺(tái)3D打印機(jī)將不同類型的細(xì)胞播種到一個(gè)腎臟支架上

最終的挑戰(zhàn)是 "讓器官真正發(fā)揮它們應(yīng)有的功能"，就像從捐贈(zèng)者那里收獲一個(gè)器官一樣，必須立即將3D打印的器官放入生物反應(yīng)器并開(kāi)始灌注，否則細(xì)胞會(huì)死亡。灌注器官是通過(guò)血管或其他渠道的循環(huán)為它提供液體，通常是血液或血液替代品。

根據(jù)器官的復(fù)雜性，有時(shí)需要在生物反應(yīng)器中進(jìn)一步成熟組織，或進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)連接。為了使打印出來(lái)的器官真正像人類器官一樣在體內(nèi)發(fā)揮作用，必須完成一些管道問(wèn)題和挑戰(zhàn)。老實(shí)說(shuō)，這一點(diǎn)還沒(méi)有完全解決。

一旦生物打印的器官被植入病人體內(nèi)，它就會(huì)隨著時(shí)間的推移而自然降解，這沒(méi)有問(wèn)題，因?yàn)樗�就是這樣設(shè)計(jì)的。

"隨著膠水的逐漸溶解，細(xì)胞感覺(jué)到它們不再有一個(gè)堅(jiān)實(shí)的立足點(diǎn)。因此，細(xì)胞開(kāi)始創(chuàng)造它們自己的橋梁，創(chuàng)造它們自己的膠水。"

還需要多少年才能實(shí)現(xiàn)，成本怎么樣?

Lewis和Atala對(duì)完全功能的生物打印器官能夠被植入人體之前的剩余年限進(jìn)行了保守的估計(jì)。

Lewis說(shuō)："這個(gè)領(lǐng)域發(fā)展很快，但我認(rèn)為我們正在談?wù)撌�年以上的時(shí)間，即使已經(jīng)取得了所有的巨大進(jìn)展。”

Atala說(shuō)："我多年前就學(xué)會(huì)了永遠(yuǎn)不要預(yù)測(cè)，因?yàn)槟憧偸菚?huì)錯(cuò)的。在制造和（美國(guó)食品和藥物管理局的規(guī)定）方面有太多的因素。我們的興趣是確保技術(shù)對(duì)病人來(lái)說(shuō)是安全的，這是最重要的。"

每當(dāng)生物打印器官成為一種可用的選擇時(shí)，病人和他們的護(hù)理人員的負(fù)擔(dān)能力不應(yīng)該是一個(gè)問(wèn)題。

Atala說(shuō)：“與器官衰竭有關(guān)的費(fèi)用非常高。僅僅為了讓一個(gè)病人繼續(xù)接受透析，每年就要花費(fèi)25萬(wàn)美元以上。因此，創(chuàng)造一個(gè)可以植入病人體內(nèi)的器官要便宜得多。"

根據(jù)美國(guó)腎臟病學(xué)會(huì)發(fā)表的研究報(bào)告，2020年的平均腎臟移植費(fèi)用為442,500美元--而3D打印機(jī)的零售價(jià)約為幾千美元，最高可達(dá)10萬(wàn)美元，這取決于其復(fù)雜性。但是，即使有低成本的打印機(jī)，生物打印的昂貴部分可能包括為病人維護(hù)細(xì)胞庫(kù)，培養(yǎng)細(xì)胞和安全處理生物材料。

目前器官移植的一些主要成本是 "從捐贈(zèng)者那里獲取器官，運(yùn)輸成本，然后當(dāng)然是接受者經(jīng)歷的手術(shù)，然后是所有的護(hù)理和監(jiān)控。"即使是生物打印，其中一些成本仍然是不可避免的。"