從3D打印到3D器官打印，人類離打印生命還有多遠(yuǎn)的距離？
時(shí)間：2022-09-14 14:00 來(lái)源：觀察未來(lái)科技 作者：admin 閱讀：次
從20世紀(jì)80年代到今天，3D打印走過(guò)了—條漫長(zhǎng)的發(fā)展之路。生物3D打印作為3D打印的重要分支，從2000年左右被提出至今，也取得了重大進(jìn)展。當(dāng)然，生物3D打印也有許多層次，包括制造無(wú)生物相容性要求的結(jié)構(gòu)，比如目前有廣泛應(yīng)用的手術(shù)路徑規(guī)劃用產(chǎn)品的3D打印等，制造有生物相容性要求的不可降解的制品，比如鈦合金關(guān)節(jié)、缺損修復(fù)的硅膠假體等，以及制造有生物相容性要求的可降解的制品，比如活性陶瓷骨、可降解的血管支架等，但最重要的，也最受關(guān)注的，還是在操縱活細(xì)胞構(gòu)建仿生三維組織的器官3D打印。
由于人類對(duì)生命延續(xù)的渴求，可以說(shuō)，器官打印是人類千百年來(lái)的夢(mèng)想，而打印生命則是人類的終極愿望。現(xiàn)在，人們正在努力向人類的終極愿望狂奔而去。
為什么需要3D器官打印？
生物3D打印的實(shí)現(xiàn)與組織工程（tissue engineering）和再生醫(yī)學(xué)（regenerative medicine）密切相關(guān)。組織再生是目的，而組織工程是手段。
其中，組織工程的概念由美國(guó)華裔科學(xué)家馮元楨提出，在1987年被美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金委員會(huì)確定。組織工程是指先將細(xì)胞沉積在生物支架（scaffold）上形成細(xì)胞材料復(fù)合物，然后將含細(xì)胞支架植入體內(nèi)，利用體內(nèi)環(huán)境進(jìn)行誘導(dǎo)形成相應(yīng)的組織或器官，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)傷修復(fù)和功能重建。常規(guī)的組織工程的做法是將支架制造與細(xì)胞黏附分離，但這樣就難以在支架不同位置實(shí)現(xiàn)不同種類、不同密度細(xì)胞的沉積。而生物3D打印則可以實(shí)現(xiàn)多細(xì)胞空間定向操縱及不同細(xì)胞密度的可控沉積，恰好解決了組織工程目前所面臨的難題。
一直以來(lái)，體外制造活性組織或器官都是人們孜孜不倦追求的目標(biāo)。究其原因，一方面，目前器官移植的缺口巨大。迄今為止，許多醫(yī)學(xué)難題諸如腎衰竭、惡性腫瘤等，臨床上的行之有效的治療方式仍為器官移植手術(shù)，然而異體器官移植一直以來(lái)都存在著供體不足的問(wèn)題。無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是在國(guó)際上，由于器官捐獻(xiàn)量不足，配型的成功率也不高，需要器官移植的病人能做的事情只能是等待。
在美國(guó)，根據(jù)美國(guó)器官資源共享網(wǎng)絡(luò)（UNOS）公布，每1.5小時(shí)就有1例病人因?yàn)榈炔坏胶线m的器官移植而死亡，每年有超過(guò)800萬(wàn)例患者需要進(jìn)行組織修復(fù)相關(guān)手術(shù)。在我國(guó)，據(jù)統(tǒng)計(jì)每年大約有150萬(wàn)人因末期器官功能衰竭需要器官移植，但每年卻僅有約1萬(wàn)人能得到器官移植的救治，有限的活體器官來(lái)源滿足不了患者需求。
單以腎移植手術(shù)為例，每年進(jìn)行移植的患者為3000人，而需求者高達(dá)30萬(wàn)。大多數(shù)患者只能在等待配體的過(guò)程中病情惡化甚至離世。與此同時(shí)，中國(guó)需要接受器官移植的患者數(shù)量還在以每年超過(guò)10%的增量擴(kuò)大。另外，器官移植后還存在免疫排異反應(yīng)，需要長(zhǎng)期進(jìn)行免疫抑制治療。
有鑒于此，臨床上急需一種行之有效的方法，以解決供體器官的短缺和器官移植出現(xiàn)的排異反應(yīng)等問(wèn)題。生物3D打印技術(shù)的出現(xiàn)及快速發(fā)展為組織或器官短缺的問(wèn)題提供了全新的解決方案——生物3D打印可以以自身的成體干細(xì)胞經(jīng)體外誘導(dǎo)分化而來(lái)的活細(xì)胞為原料，在體外或體內(nèi)直接打印活體器官或組織，從而取代功能喪失的器官或組織。
目前，生物3D打印在器官移植領(lǐng)域已取得了一定的成績(jī)，被應(yīng)用于皮膚、骨骼、人造血管、血管夾板、心臟組織和軟骨質(zhì)結(jié)構(gòu)的再生與重建。
另一方面，當(dāng)前的醫(yī)學(xué)機(jī)理機(jī)制研究需要更為精準(zhǔn)的體外模型。傳統(tǒng)的解決方案往往是基于細(xì)胞二維培養(yǎng)及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。然而，基于細(xì)胞二維培養(yǎng)的方法和真實(shí)體內(nèi)的三維環(huán)境相比差異很大，有些情況下還有可能出現(xiàn)互相矛盾的結(jié)果，這就使得參考價(jià)值有限。而動(dòng)物實(shí)驗(yàn)除了有很多倫理學(xué)的問(wèn)題外，最為關(guān)鍵的是動(dòng)物的體內(nèi)環(huán)境和人體環(huán)境有很大的差別。
也就是說(shuō)，如果能在體外采用人體細(xì)胞重構(gòu)出組織或器官的所在三維環(huán)境，就可以很好地彌補(bǔ)現(xiàn)有解決方案的缺陷，而體外組織或器官的構(gòu)建無(wú)疑可以廣泛應(yīng)用于藥物篩選及疾病機(jī)理探究。
而這將為人們帶來(lái)的，則是人類在精準(zhǔn)醫(yī)療和個(gè)性化醫(yī)療的躍進(jìn)一步。畢竟，每個(gè)人的身體構(gòu)造、病理狀況都存在特殊性和差異化，尤其是病情復(fù)雜、罕見(jiàn)的患者，考慮到手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)較大，醫(yī)生可借助3D打印技術(shù)，將患者病變部分按照1∶1的比例完整打印出來(lái)，針對(duì)復(fù)雜、罕見(jiàn)、高難度病例進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃與精準(zhǔn)演練。
這不僅為醫(yī)生設(shè)計(jì)手術(shù)方案提供精準(zhǔn)的三維立體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，也可在更直觀更真實(shí)的前提下預(yù)演整個(gè)手術(shù)過(guò)程，完善手術(shù)規(guī)劃，從而提高真實(shí)手術(shù)的精準(zhǔn)度，降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。此外，針對(duì)不同患者，3D打印個(gè)性化手術(shù)導(dǎo)板，能夠有效減少手術(shù)的創(chuàng)傷和出血量，大大縮短手術(shù)時(shí)間，提高手術(shù)準(zhǔn)確度。
因而，與傳統(tǒng)醫(yī)療技術(shù)相比，在尊重和掌握個(gè)體差異的基礎(chǔ)上，3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)真正個(gè)性化定制，使醫(yī)療更加精準(zhǔn)化。
由于人類對(duì)生命延續(xù)的渴求，可以說(shuō)，器官打印是人類千百年來(lái)的夢(mèng)想，而打印生命則是人類的終極愿望。現(xiàn)在，人們正在努力向人類的終極愿望狂奔而去。
為什么需要3D器官打印？
生物3D打印的實(shí)現(xiàn)與組織工程（tissue engineering）和再生醫(yī)學(xué)（regenerative medicine）密切相關(guān)。組織再生是目的，而組織工程是手段。
其中，組織工程的概念由美國(guó)華裔科學(xué)家馮元楨提出，在1987年被美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金委員會(huì)確定。組織工程是指先將細(xì)胞沉積在生物支架（scaffold）上形成細(xì)胞材料復(fù)合物，然后將含細(xì)胞支架植入體內(nèi)，利用體內(nèi)環(huán)境進(jìn)行誘導(dǎo)形成相應(yīng)的組織或器官，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)傷修復(fù)和功能重建。常規(guī)的組織工程的做法是將支架制造與細(xì)胞黏附分離，但這樣就難以在支架不同位置實(shí)現(xiàn)不同種類、不同密度細(xì)胞的沉積。而生物3D打印則可以實(shí)現(xiàn)多細(xì)胞空間定向操縱及不同細(xì)胞密度的可控沉積，恰好解決了組織工程目前所面臨的難題。
一直以來(lái)，體外制造活性組織或器官都是人們孜孜不倦追求的目標(biāo)。究其原因，一方面，目前器官移植的缺口巨大。迄今為止，許多醫(yī)學(xué)難題諸如腎衰竭、惡性腫瘤等，臨床上的行之有效的治療方式仍為器官移植手術(shù)，然而異體器官移植一直以來(lái)都存在著供體不足的問(wèn)題。無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是在國(guó)際上，由于器官捐獻(xiàn)量不足，配型的成功率也不高，需要器官移植的病人能做的事情只能是等待。
在美國(guó)，根據(jù)美國(guó)器官資源共享網(wǎng)絡(luò)（UNOS）公布，每1.5小時(shí)就有1例病人因?yàn)榈炔坏胶线m的器官移植而死亡，每年有超過(guò)800萬(wàn)例患者需要進(jìn)行組織修復(fù)相關(guān)手術(shù)。在我國(guó)，據(jù)統(tǒng)計(jì)每年大約有150萬(wàn)人因末期器官功能衰竭需要器官移植，但每年卻僅有約1萬(wàn)人能得到器官移植的救治，有限的活體器官來(lái)源滿足不了患者需求。
單以腎移植手術(shù)為例，每年進(jìn)行移植的患者為3000人，而需求者高達(dá)30萬(wàn)。大多數(shù)患者只能在等待配體的過(guò)程中病情惡化甚至離世。與此同時(shí)，中國(guó)需要接受器官移植的患者數(shù)量還在以每年超過(guò)10%的增量擴(kuò)大。另外，器官移植后還存在免疫排異反應(yīng)，需要長(zhǎng)期進(jìn)行免疫抑制治療。
有鑒于此，臨床上急需一種行之有效的方法，以解決供體器官的短缺和器官移植出現(xiàn)的排異反應(yīng)等問(wèn)題。生物3D打印技術(shù)的出現(xiàn)及快速發(fā)展為組織或器官短缺的問(wèn)題提供了全新的解決方案——生物3D打印可以以自身的成體干細(xì)胞經(jīng)體外誘導(dǎo)分化而來(lái)的活細(xì)胞為原料，在體外或體內(nèi)直接打印活體器官或組織，從而取代功能喪失的器官或組織。
目前，生物3D打印在器官移植領(lǐng)域已取得了一定的成績(jī)，被應(yīng)用于皮膚、骨骼、人造血管、血管夾板、心臟組織和軟骨質(zhì)結(jié)構(gòu)的再生與重建。
另一方面，當(dāng)前的醫(yī)學(xué)機(jī)理機(jī)制研究需要更為精準(zhǔn)的體外模型。傳統(tǒng)的解決方案往往是基于細(xì)胞二維培養(yǎng)及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。然而，基于細(xì)胞二維培養(yǎng)的方法和真實(shí)體內(nèi)的三維環(huán)境相比差異很大，有些情況下還有可能出現(xiàn)互相矛盾的結(jié)果，這就使得參考價(jià)值有限。而動(dòng)物實(shí)驗(yàn)除了有很多倫理學(xué)的問(wèn)題外，最為關(guān)鍵的是動(dòng)物的體內(nèi)環(huán)境和人體環(huán)境有很大的差別。
也就是說(shuō)，如果能在體外采用人體細(xì)胞重構(gòu)出組織或器官的所在三維環(huán)境，就可以很好地彌補(bǔ)現(xiàn)有解決方案的缺陷，而體外組織或器官的構(gòu)建無(wú)疑可以廣泛應(yīng)用于藥物篩選及疾病機(jī)理探究。
而這將為人們帶來(lái)的，則是人類在精準(zhǔn)醫(yī)療和個(gè)性化醫(yī)療的躍進(jìn)一步。畢竟，每個(gè)人的身體構(gòu)造、病理狀況都存在特殊性和差異化，尤其是病情復(fù)雜、罕見(jiàn)的患者，考慮到手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)較大，醫(yī)生可借助3D打印技術(shù)，將患者病變部分按照1∶1的比例完整打印出來(lái)，針對(duì)復(fù)雜、罕見(jiàn)、高難度病例進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃與精準(zhǔn)演練。
這不僅為醫(yī)生設(shè)計(jì)手術(shù)方案提供精準(zhǔn)的三維立體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，也可在更直觀更真實(shí)的前提下預(yù)演整個(gè)手術(shù)過(guò)程，完善手術(shù)規(guī)劃，從而提高真實(shí)手術(shù)的精準(zhǔn)度，降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。此外，針對(duì)不同患者，3D打印個(gè)性化手術(shù)導(dǎo)板，能夠有效減少手術(shù)的創(chuàng)傷和出血量，大大縮短手術(shù)時(shí)間，提高手術(shù)準(zhǔn)確度。
因而，與傳統(tǒng)醫(yī)療技術(shù)相比，在尊重和掌握個(gè)體差異的基礎(chǔ)上，3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)真正個(gè)性化定制，使醫(yī)療更加精準(zhǔn)化。
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