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

    日前，來自杭州電子科技大學(xué)的科學(xué)團隊自主研發(fā)出一臺生物材料3D打印機。通過這臺打印機，使用水凝膠及人體活細胞作為材料，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實驗室內(nèi)，本報記者見證了打印機打印人體器官。

    活細胞存活率達90%

    這臺通體黑色，重達50公斤，一臺縫紉機大小名叫"Regenovo"的機器，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"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胞比作"搭金字塔"的磚與水泥。除了活細胞，"Regenovo"還可使用多種生物材料。此前，徐銘恩的團隊將用它打印出骨骼支架用在小鼠的大腿外側(cè)實驗，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"進行鑒定。這份鑒定報告讓徐銘恩與他的團隊被外界關(guān)注。

    這份報告稱，與國際同類的生物3D打印機相比，"Regenovo"不僅率先實現(xiàn)無菌條件下的生物材料和細胞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，打印出的人體活細胞有著高達90%的存活率。目前打印的活細胞存活時間最長為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)。

    徐銘恩認為，當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

    盡管活細胞打印，開啟了人類打印器官組織的研究活動，但從實驗室到真正醫(yī)療運用，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)，比普通細胞大五倍。"這好比電腦屏幕的分辨率，生物3D打印的細胞比正常細胞要粗糙5倍。"而且，人類對細胞認識與研究還不夠，可供3D打印的細胞種類仍不多。

    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，如何讓不同于干細胞的神經(jīng)細胞生存，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打印機將開始為大學(xué)實驗室、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

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

    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打印機再通過分層離散和數(shù)控成型的方法用活細胞與水凝膠來搭建器官。搭建完畢后，打印出來后的細胞支架還要進行進一步的細胞培養(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，從細小的噴頭里會擠出肉眼仔細觀察才能看到的含有活性細胞的水凝膠。就像擠奶油拉花一樣，纖細的水凝膠從噴頭噴出，在機器作用下，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，在我們這代人中實現(xiàn)延年益壽"

    記者：生物3D打印中的活細胞和水凝膠造價貴嗎？

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

    記者：目前，活細胞打印技術(shù)還有哪些難題？

    徐銘恩：首先是細胞精度。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：我認為不太可能。因為細胞是從人體內(nèi)提取的。

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

    徐銘恩：這是個好問題。目前，生物3D打印的細胞種類還有限。而且打印的細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)實問題。其次，相對心臟、腎臟，肝臟的一些功能實現(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。而肝臟細胞的排列較為簡單。

    記者：生物3D打印的終極目標是制造具有完整功能的人。你認為人類實現(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?。這意味著沒有了競爭。從個體角度而言，這是人人需面對的。我認為，通過努力，在我們這代人有生之年，實現(xiàn)人類壽命延長，還是可以實現(xiàn)的。