您所在的位置:首頁(yè) > 腎內(nèi)科醫(yī)學(xué)進(jìn)展 > 打印***"肝"、"腎"并進(jìn)行移植并非南柯一夢(mèng)
活體腎臟移植排隊(duì)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(dòng)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(duì)自主研發(fā)出一臺(tái)生物材料3D打印機(jī)。通過這臺(tái)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(jì)未來10~15年,打印活體"肝"、"腎"并進(jìn)行移植將有望推廣。
屆時(shí),人類益壽延年并非南柯一夢(mèng)。
8月9日,在杭州電子科技大學(xué)2號(hào)教研樓332實(shí)驗(yàn)室內(nèi),本報(bào)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(tái)通體黑色,重達(dá)50公斤,一臺(tái)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(tái)打印機(jī)"干活"非常迅速,打印一個(gè)比例稍小的耳朵或鼻子只需半小時(shí)到1小時(shí),一張手心大小的人類臉部面具,大約只需4小時(shí),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(duì)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(duì)"Regenovo"進(jìn)行鑒定。這份鑒定報(bào)告讓徐銘恩與他的團(tuán)隊(duì)被外界關(guān)注。
這份報(bào)告稱,與國(guó)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(jì),能夠支持從-5℃到260℃熔融的多種生物材料打印。同時(shí),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(shí)間最長(zhǎng)為4個(gè)月。
造"活器官"不再是夢(mèng)
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(guó)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(dòng)效應(yīng)。比如假牙和假肢的應(yīng)用,能根據(jù)每個(gè)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(gè)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(duì)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(dòng),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(shí)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(duì)細(xì)胞認(rèn)識(shí)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(shí)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(xiàng)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(zhǎng)、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(gè)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(jì)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(huì)降解。
在打印過程中,本報(bào)記者看到,從細(xì)小的噴頭里會(huì)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(shí)形成。與大多數(shù)人想象的活體器官不一樣,打印器官?zèng)]有血色,也沒有血管和神經(jīng)。
對(duì)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(jià)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(gè)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(duì)癌癥的攻克,主要是人類對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)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(gè)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(cè)相對(duì)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(gè)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(gè)現(xiàn)實(shí)問題。其次,相對(duì)心臟、腎臟,肝臟的一些功能實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)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(duì),有些還需要面對(duì)面排隊(duì),有些要背對(duì)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(jiǎn)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(jìng)爭(zhēng)。從個(gè)體角度而言,這是人人需面對(duì)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(zhǎng),還是可以實(shí)現(xiàn)的。
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