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圣地亚哥Organovo:3D打印内脏或将2014年问世
圣地亚哥Organovo:3D打印内脏或将2014年问世
2014/1/1 6:27:47 | 浏览:3361 | 评论:0
  摘要:全世界每天共有18个人因为找不到合适的器官移植而导致死亡,这对于我们来说是一件非常残酷的事情。不过随着3D打印技术的不断发展,这种状况可能会有所改变,并且要比我们想象的更早发生。

圣地亚哥Organovo:3D打印内脏或将2014年问世

  现在通过3D打印来制作人体组织器官的技术进步非常快,一家来自美国加州圣地亚哥名叫Organovo的生物技术公司已经表示,将会在2014年推出世界上第一个通过3D打印技术制造的人类器官,而这个器官将是人类的肝脏。

  就像普通的3D打印形式,这种生物技术在打印的过程中,3D打印机逐层打印肝脏细胞和血管内壁细胞,一共打印了大约20层,这样这些细胞就形成了一个坚实的实体器官,从而起到人体组织的作用。目前,创建人体组织最大的障碍仍然是如何制造出为生命提供氧气和营养物质运输的血管系统,因为在组织从打印机上剥离之后,活的细胞体会慢慢的逐渐死亡。

  但是,Organovo公司在一定程度上已经克服了血管壁细胞的问题。“我们已经成功的打印出了一个深500微米深的迷你肝脏组织,并且具备普通肝脏所拥有的将激素、盐和药物运送到身体各处蛋白质的功能,并且可以正常存活40天。”Organovo公司商业运作执行副总裁Mike Renard表示。

3D打印内脏及人体组织在2014年将成为现实

  1微米等于一百万分之一米,为了让大家更好的理解,我们可以这样想象:一张普通的打印纸张厚度是100微米,所以Organovo公司打印出的迷你肝脏组织厚度就跟五张打印纸摞在一起一样。

  只通过3D打印技术制造出肝脏组织细胞是远远不够的,因为在肝脏组织中存在多种不同功能的细胞组织来实现不同的功能,而我们必须将这些不同的细胞组织有效的结合才能制造出一个活的人体器官。

  Mike Renard还表示,Organovo公司的技术人员能够将执行微血管网络功能的纤维细胞和内皮细胞汇集到一起,实现具有良好细胞生存能力、具有一定厚度的组织。

  Organovo公司的肝脏组织模型计划在2014年发布,并且暂时仅供在实验室中用来进行医学和药物研究。这将是非常重要的进步,因为目前开发一种新的药物平均成本需要12亿美元,并且要消耗12年的时间。

  目前 Organovo公司还没有发布任何未来关于可以直接移植3D打印器官的消息,因为此类行为必须要经过政府部门的严格审查,被批准后才能应用于临床。不过,通过3D打印技术创造出可以正常工作的肝脏组织,对于生物科技领域来说将是一个分水岭。因为通过3D打印出的人体器官组织可以存活足够长的时间来测试对药物或植入人体的反应,并且还具有进一步发展的空间。

  “目前就预测打印人体组织最终被应用到医疗领域或见到成效还为时尚早。”Renard说。“这个过程只能通过持续的器官组织开发和临床试验来完成,并且之后还要通过食品和药物管理局(FDA)的评估,通常这一过程还额外需要三至十年。”

  为了鼓励和刺激生物打印器官的发展,一家位于斯普林菲尔德的非营利性再生医学基金会Methuselah Foundation2013年12月宣布将会奖励第一家打印出具备完整功能肝脏细胞的公司100万美元。

  目前,仅美国地区的等待器官移植名单上就有大约12万人,即使其中一些人找到了合适的器官,依然要面临诸如排异反应等持续性的挑战。然而,如果可以通过患者自己的干细胞复制生成完成的器官,那么排异反应的问题将迎刃而解。

  Methuselah Foundation机构在自己的鼓励政策公告中表示,目前器官再生项目在美国获得的资金支持不到5亿美元,与50亿美元的癌症项目和28亿美元的艾滋病项目相比,依然明显不够。“而再生医学是医疗领域的未来,但是目前来看依然存在很大的缺口。” Methuselah Foundation机构首席执行官David Gobel表示。

  虽然3D打印器官移植到人体项目想要获得FDA的批准可能还需要长达十年的时间,但是这种创造出器官组织的新技术仍然拥有非常广阔的医学前景。

  打印出可长时间存活的人体器官将帮助医药公司无需再通过动物器官进行临床试验,而使用人体组织器官进行实验将有助于产生更加精确的研究结果。

  研究人员目前正在尝试从人体器官上任意摘取一层极薄的组织来进行器官的复制。而这一过程将被称之为“器官芯片”或“器官上的人类”。科学家们多年来一直使用摘取人类表面皮肤的组织来进行皮肤移植手术,通过细胞的自我复制性来治疗大面积的皮肤损伤。然而,3D打印技术将要比这一过程更加复杂和先进。不过另一方面,整个过程也更加艰巨和困难。3D细胞复制需要一个更精确的可重复过程来通过计算机辅助设计软件(CAD),通过注射器来完整的打印出可用的人体器官。

  “使用3D打印技术可以给我们无限的再现行和自动化方式,来扩大器官的制造规模。”莱斯大学生物工程学教授Jordan Miller表示。最近Jordan Miller帮助宾夕法尼亚大学生物工程学实验室进行精密组织器官打印的工作。

  要想制造出可长时间存活并可用的活体组织,首先必须要理解它的工作原理。“这是一个非常复杂的挑战,”Miller说道。“我们并不知道人类所有的身体结构,而且我们仍然在学习之中。因此,我们同样还不了解我们要重建的这些组织器官的所有特性。不过目前我们已经发现了一些证据来证明其实并不需要重新创建这些器官的所有功能。”

  Miller 和他的团队认为,如果他们仅仅重建某个组织的一部分,而不是完整的器官,那么这些组织一旦被植入人体之后,同样可以自己继续生长成一个具有完整功能的器官。“我们已经有了一些获得成功的薄膜组织、皮肤、角膜和膀胱等,但是在讨论到肝脏或肾脏这些器官时,一切又变得更加复杂了。

  在非实验室的普通环境下,这些细胞都非常脆弱,而对于我们来说最大的难度就是如何让它们继续存活。”Miller表示。“我们要打印的细胞不像是皮肤移植那样仅仅是10层20层,而研究人员正试图打印出5000层甚至是10000层的细胞组织。”

打印血管原料很简单,仅仅是水和糖

  为了打印出具有相当厚度的组织,科学家们还必须要能够创建出维持组织器官持续生命力所需要的血管。在以前,生物打印技术可将组织层“打印”成中空的小管道作为组织的脉管系统。但是,Miller教授的研究团队却反其道而行之,事先在一个脉管系统模型里面设计出3D纤丝网络,一旦细胞在模型和模板外形成固态组织后,则可将模型移除。

  Miller和他的团队解释说,糖被证实是理想的血管网络构建材料,因为糖具有一定硬度,可用于3D打印机,并且糖可以溶解在水中而不会对细胞带来毒害。研究人员用蔗糖、葡萄糖及葡聚糖的混合物加固结,然后再通过3D打印机打印出来。

  研究人员将模板包被上可降解的、由玉米制得的多聚物,然后让糖模板溶解并经由他们设置的孔道从凝胶中流出。通过这种方法,研究者们可以在糖完全溶解后让营养物质流经血管结构。由于器官脉管具有不变的结构,这种方法为各种类型细胞和组织提供了扩展性的解决方案。这不仅意味着我们可以移植由我们自身细胞发育而来的器官,而且这些模板还具有另外一个巨大的好处,它们具高稳定性。

  目前,Miller团队通过上述方法已经取得的阶段性的成功,研究人员已经打印出可以存活两周的部分器官组织。

可替换的耳朵和乳房

圣地亚哥Organovo:3D打印内脏或将2014年问世
3D打印内脏及人体组织在2014年将成为现实

  2013 年上半年,普林斯顿大学的研究人员通过将一台老式喷墨打印机进行改造,成功的打印出具有功能性的仿生耳朵,造价1000美元(约合人民币6000元)。研究人员表示,他们所创造出的仿生学耳朵在能力上要远远超过正常人的听觉,甚至可以听到无线电的频率,因为这个耳朵的组织是与电子技术结合在培养皿中生长。

  科学家们选择的打印材料为水凝胶,一种在组织工程学中其支撑作用的化学物质,接着用3D打印机打印出仿生耳朵,然后将从小牛身上获取的细胞注入水凝胶中,接着加入一种含有纳米银粒子的聚合物,这种聚合物可以传播无线射频信号。最后将小牛细胞成长为软骨组织,并围绕一个线圈天线变硬。这样,一个仿生学耳朵就诞生了。

3D打印内脏及人体组织在2014年将成为现实

  还是在2013年,TeVido BioDevices生物科技公司首席技术官兼副总裁Scott Collins公开表示该公司已经可以通过生物活体细胞重建技术及3D打印技术为那些患有乳腺癌并且将乳房切除的患者植入再生乳房或乳头再造。

  仅在2013年,美国就有大约30万女性被确诊为乳腺癌,而其中高达60%的患者会选择通过切除乳房肿瘤的治疗方法。而根据TeVido BioDevices公司的调查数据显示,至少有25%接受手术的女性会对自己的外表和身体感到不满和沮丧。

  而TeVido BioDevices公司开发出的这种可植入到脂肪和皮肤的细胞完全取自患者本身,再次被植入到乳头和乳晕中后不会出现排异反应,最终将会在形状与颜色上完全的融入患者的乳房组织。

  Scott Collins表示:“目前这项技术虽然可以重建患者的乳房、乳头和乳晕等组织,但是目前并不完美,还存在一些人造的染料颜色问题。但是随着时间的推移,这些人工色素染料将会慢慢被人体吸收而逐渐消失。”

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