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3D 打印的身體部件,真的可以用嗎?

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3D 打印的身體部件,真的可以用嗎?

Andrew Leonard2015-08-01 03:17:00

美國的一些創業公司正在致力于打印乳房和小塊肝組織,俄羅斯的生物打印鼓吹者也自稱可以按需提供甲狀腺。


本文由?Medium 和?Andrew Leonard?權《好奇心日報》發布。Andrew Leonard 是一位自由撰稿人,曾任 Salon 網站的科技頻道記者、編輯


勞拉·博斯沃茲(Laura Bosworth)想要為人們提供根據需求用 3D 打印技術打印出來的乳頭。這位德州創業公司 TeVido 生物設備公司(TeVido Biodevices)的 CEO 把賭注都押在了那些靠做乳房切除術而挺過乳腺癌的患者們身上,她們將可以訂購到用她們自己的活體細胞打印出來的新乳房。

勞拉說:“要是哪個女的得過乳腺癌,所有人都能看得出來。”現在,這些患者的選擇還很少。她說,當下重建乳房用的都是整形手術技術,這種技術做出來的乳房“會慢慢變平、消失,并不會很持久”。用患者自己身上的脂肪細胞培養出來的活體乳房根據原來乳房的尺寸精確重建之后,就可以持久改善往往由乳房切除術造成的心理創傷。

博斯沃茲也承認,在成為人們可以承受得起的現實之前,乳房 3D 打印還有很大的障礙需要克服。2011 年,維克森林大學(Wake Forest)的教授安東尼·阿塔拉(Anthony Atala)在 TED 的講臺上號稱自己打印出了人的腎臟,讓當時舉座皆驚,盡管這一舉動隨后引起了一陣熱潮,但目前還沒有人用 3D 打印機打印出能為人所用的人類器官。

技術上的實現只是這場戰役的前一半。風投資本家們其實并沒有爭著去給 TeVido投資。根據博斯沃茲的觀察,“為一個打車應用”籌錢要更加容易一些,而生物醫學突破在研發階段就要花掉數百萬美元,而在這之后、產品上市之前,還有過程很長的臨床試驗。

不過博斯沃茲相信,任何率先從實驗室走出來的產品,面對的都是一個價值 60 億美元的市場。“這個領域本身已經有了非常大的發展,”TeVido 的聯合創始人托馬斯·博蘭德(Thomas Boland)說。他是第一批把打印油墨的普通 3D 打印機修改以后,用來打印活體細胞的科學家之一。遠在中國俄羅斯瑞士,還有在常青藤學校的實驗室以及圣迭哥的生物科技基地,所有人都在向前推進生物打印技術。材料科學、細胞生物學和計算機控制制造技術等學科都在這里融合

如果我們相信自己最近聽到的所有東西的話,那么我們還正在 3D 打印我們的食物、我們的汽車、我們的家、我們的電子設備——天哪,要是我們客廳里需要的一切都不再裝在集裝箱里從中國運過來,而是直接 3D 打印出來,那么整個全球貿易的架構都將被顛覆。它的前景幾乎是無可限量,現在實現的那些東西都還受到了思維的局限。

這種彎彎繞繞的說辭聽起來很浮夸,就好像是科幻小說和生物打印冰冷而艱難的事實至少在現實中走到了一起,而之所以能做到這一點,是因為一次非同尋常的聚會,參會的人分別是一位用 3D 打印做乳頭的人、一位組織培養界的先鋒,還有一位(很可能已經)瘋狂的俄羅斯未來學家。在那次可以讓人一窺宏偉前景的聚會上,謹慎的科學家們不怎么愿意和人往來,荒唐的事情和陳詞濫調交雜在一起。你還會注意到一件最令人震驚的事情:事實上,在場的人們在談論打印人體部件這件事的時候,都帶著精明的商業頭腦。

現在,我們回過頭來聊聊乳頭的事。

2000 年,托馬斯·博蘭德還在南卡羅萊納州的克萊姆森大學(Clemson University)當副教授,當時是他第一個想到把一臺標準的惠普噴墨打印機改造之后,用它把一層細胞放到另一層細胞之上,所以他也被人們稱為“生物打印教父”。現在他是德克薩斯大學埃爾帕索分校(University of Texas El Paso)生物醫學工程項目的主任。2010 年,在一個旨在把德克薩斯大學有創業精神的科學家和有經驗的商界人士撮合到一起的指導項目上,戴爾電腦的退休高管博斯沃茲碰到了博蘭德。

“越是了解這個技術的潛力,我就越覺得這是一個非常棒的東西,”博斯沃茲回憶道,“有一天我對托馬斯說:‘我們該開個公司’,然后他說‘那就開家公司吧’。”

博斯沃茲為此著迷的原因也很簡單。因為 3D 生物打印技術立刻就變得容易描述起來,而且完全令人震驚。別的 3D 打印是通過噴灑一層又一層的塑料或者其他合成物制造沒有生命的物體,而生物打印機用的是用活體細胞制成的“生物油墨”。一般說來,許多層不同類型的細胞會和一層層的“細胞外基體(extracellular matrix)”(一種膠體,細胞會懸浮在其中)混合在一起。


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培養皿中剛剛?3D?打印出來的組織結構。由愛荷華大學供圖。


數十年來,細胞生物學家們一直在培養細胞,試圖構造更大的結構出來。博蘭德說,3D 打印的優勢在于它的精度、靈活性和速度。在特定的位置放置不同類型的細胞將會比用手操作快許多。速度是非常關鍵的因素,因為組合的速度越慢,細胞就越可能死掉。使用多個包含了不同細胞類型和基體的打印機噴頭,人們就可以在短時間內構造出非常復雜的結構。

快速地把細胞放到位只是一切的開始。打造出可被移植進人體的、具有完全功能的器官,是科學家們努力追求的目標,而找到讓細胞存活的辦法,則被看作是實現這一目標過程中最大的障礙。在人體內的器官里,細胞是通過由血管和毛細血管組成的網絡(也被稱為脈管系統)提供營養而存活的。而安東尼·阿塔拉在 TED 上打印出來的腎臟盡管外形是腎臟的樣子,但是卻不具備這種支持它存活的網絡。博蘭德說:“事實證明,把這種微型脈管系統嵌入到打印出來的結構里,是一件非常困難的事。”

現在還沒有人能確鑿地說脈管系統的問題到什么時候能解決、怎么解決。比如在哈佛大學的威斯研究所(Wyss Institute),一個由詹妮弗·路易斯(Jennifer Lewis)領銜的團隊就得到了人們的廣泛關注,因為該團隊發明了一種工藝,使用一種有著非常特別的特性的生物油墨,在細胞外基體中打印出了血管網絡。這種油墨在冷卻下來以后就會溶化,當具備了活體細胞、細胞外基體和一根分支血管的整個組織結構被打印出來以后,路易斯的團隊就會把整個結構冷卻下來、抽出溶化掉的生物油墨,這樣就留下了一個空心的血管網絡,理論上講,它可以用來為細胞輸送營養。現在已經是 TeVido 顧問的博蘭德說,他在埃爾帕索分校的實驗室一直在進行實驗,通過打印出上皮細胞中的“通道”,細胞就會構造出血管壁。他們的目標是看看細胞是否能在這樣的引導下,自主組合成具有相應功能的結構。不過 TeVido 的首席技術官斯科特·科林斯(Scott Collins)因為涉及知識產權的原因,拒絕透露更多細節。

“從可以交付(臨床使用)的角度上講,我們做出來(可用的)器官了嗎?沒有,”博蘭德說,“但我們已經更加接近這個目標了。”

科林斯這時補充道:“我們想做第一個(實現這個目標的公司)。”

科林斯說,阻止 TeVido 實現預期目標的主要問題并不是技術本身,而是研究經費。到目前為止,它都在精打細算地使用幾個來自政府的資助。1 月時,TeVido 甚至邁出了前所未有的一步,在 Indiegogo 上發起了一次眾籌,籌到了據它自己說將會用來申請專利的 3 萬美元。

用活體細胞再造乳房很顯然是件令人激動的事情。但是現實(眾籌數萬美元來申請專利,以及從實驗室到臨床試驗再到人體應用的漫長過程)卻有點兒乏味。構造新的人體部件可比編一個新應用難多了。

當今時代,由計算機硬件驅動的科技變革以及軟件的神奇作用,都無時無刻不在被稱為是顛覆性的革新,但是令人激動的愿景和遲緩的科技進步之間的距離有時卻會消失不見。事實上人們發現,在過去幾年里,3D 打印技術界的這種距離變成了最讓人困惑的事情。


2生物科技研究實驗室(Labaratory of Biotechnology Research)科學主管弗拉基米爾·麥克羅夫(Vladimir Mironov)。由?3D Bioprinting Solutions?供圖。


去年 11 月,《今日俄羅斯(Russia Today)》上的一篇新聞報道匯集了一系列有關生物打印的博客和科技網站,讓人激動得發抖。莫斯科一個叫做?3D Bioprinting Solutions?的實驗室宣稱,到 2015 年 3 月,他們將可以打印出一只具有完全功能的老鼠甲狀腺。該實驗室主管弗拉基米爾·麥克羅夫甚至說,到 2018 年,他們將開始打印具有完全功能且可以移植的腎臟。

“第一個打印出來腎臟、把它成功移植到患者身上,而且還能讓患者活下來的那個人,肯定能拿諾貝爾獎,”麥克羅夫說。

麥克羅夫的預測很可能是沒錯的,任何一個成功利用生物打印技術打印出來一個能用的人類腎臟的人,都將得到來自全世界的稱贊。到那個時候,乳房再造技術的改進所帶來的心理益處都不是個事兒,能否有更多的腎臟可是關乎生死的。現在僅在美國就有 10 萬多人排在等待腎源的名單上——但在 2013 年,腎臟移植手術只做了1.7 萬例。能成功利用生物打印技術打印出人類腎臟,將會拯救數千人的生命。

我一般不會過多相信《今日俄羅斯》上面所報道的事情,但我非常好奇。比如我想知道,麥克羅夫將如何解決脈管系統的問題?我想采訪到他,但沒能成功。

不過當我在 Google 上搜他的名字時,結果卻非常有意思。

首先,2011?年,麥克羅夫曾為《未來主義者(The Futurist)》雜志寫過一篇文章,預測在不久之后,我們整個人類都將可以被打印出來。而且不難預測的是,更換人的身體最終將會像換衣服一樣成為常態,整形外科手術也將與時尚融合在一起。

人體打印技術將會讓你不用再為了成為完全發育的成人而等待 18 年:理論上講,人類可以按需打印出來,而且只要幾周時間就能具有成人的全部功能。大腦可以被生物芯片取代,而與大腦相關研究則需要發展到某個水平,從而實現對大腦的逆向工程和生產。

“整形外科手術也將與時尚融合在一起”這句話還可能放到生物打印乳頭上去理解,但通過生物打印技術、花幾天或者幾周之內按照需求打印出整個人體?引用托馬斯·博蘭德的話來說,這種任務看起來很可能“非常困難”。


3生物科技研究實驗室的工程師亞歷山大·密特里亞什金(Alexander Mitryashkin)。由?3D Bioprinting Solutions?供圖。


但是情節后來變得復雜了起來。2003 年,麥克羅夫還在南卡羅萊納醫科大學(Medical University of South Carolina)當研究員,在與別人合寫的一篇論文中,他們描繪了使用 3D 打印機制造人體組織的前景。而論文的其他作者中,有一位正是博蘭德!第三位作者、密蘇里大學的生物物理學家加博·福加斯(Gabor Forgacs)則與人聯合創辦了一家名叫?Organovo?的公司,這家公司成功上了市,現在正在利用生物打印技術打印用于藥品測試的人類肝臟小樣。麥克羅夫的名字也出現在了一項制造組織的專利中,現在這項專利由 Organovo 所有。

2003 年,麥克羅夫靠著自己的論文把人們帶進了生物打印時代,數年之后,由于他在 PETA(善待動物組織)的資助下,參與了一個制造“試管肉(in-vitro meat,也被稱為 schmeat)”的項目,麥克羅夫在流行文化圈里背上了一些惡名(這事還上了《寇伯特報告(Colbert Report)》)。麥克羅夫的目標是:在完全確保符合人道主義原則的基礎上,為未來提供可持續的食物來源。

到 2011 年,麥克羅夫穩穩當當地當上了南卡羅萊納醫科大學高級組織生物制造實驗室(Advanced Tissue Biofabrication laboratory)的主管,這個實驗室擁有 2000萬美元的研究資金。但在 2011 年 2 月,他突然被停職,實驗室也被關掉了,至今原因不明,但似乎涉及到一些個人之間嚴重的沖突。南卡醫科大的一位院長只是說,麥克羅夫做了一些“不可接受的行為”。而麥克羅夫則對《自然》雜志說:“我被禁止做研究,他們說我是個不穩定因素。真是太離奇了。”

2011 年以后,麥克羅夫的行蹤變得更加難以捉摸。他似乎花了一些時間去主持在巴西的研究,同時又在《未來主義者》上寫了一些充滿憧憬的文章,最后又突然出現在莫斯科,搞了他的新公司和新實驗室。

讓我們來回顧一下:一位曾經得到過 PETA 資助的合成肉研究員,他相信我們最終會通過生物打印技術來打印出裝有生物芯片大腦的整個人類,現在他正在俄羅斯努力工作,利用 3D 打印機制造老鼠的甲狀腺。這不是美國小說家托馬斯·品欽(Thomas Pynchon)下一部小說里的情節,而是冷冰冰、硬梆梆的現實。

但是,通過回溯由麥克羅夫 2003 年那篇論文的合著者聯合創辦的創業公司,我最后了解了 TeVido 和 Organovo 這兩家真實存在的公司,它們都雇傭了真正的科學家,在做實實在在的東西。在生物打印界,科幻小說和經過了同行評議的研究之間的區別是非常、非常細微的。

Organovo 負責商業運作的執行副總裁邁克爾·雷納德(Michael Renard)說,在將生物打印技術商業化方面,Organovo “還遠不是領頭羊”。

雷納德說,Organovo 創立之初的目標,是制造生物打印機并賣給別人,但在和投資人以及制藥企業討論之后,公司最后認為,調整和部署公司的技術,將其用于藥品測試生意,會有更好的前景。11 月,Organovo?宣布,3D 打印的“用于臨床前期藥物探索測試的人類肝臟組織”正式進入商用。


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生物打印出來的人類肝臟組織的剖面圖。由 Organovo 供圖。


Organovo 生產的肝臟組織樣本和具有完全功能的肝臟是兩種截然不同的東西。它們都是微小的組織切片,長寬各 3 毫米、厚 1 毫米,而且只能保證存活 40 天。它們并不包含可用的血管結構。但從理論上講,它們確實能解決制藥企業面臨的一個嚴重的問題——在走完美國食品藥品監督管理局(FDA)又長又費錢的許可流程之前,它們沒有辦法在活體人類組織上測試藥物。

這聽起來可能沒有打印腎臟或者乳頭那么引人注目,但如果能奏效的話,它的長期影響會是巨大的。利用人造組織測試藥物將可能會極大的加速藥物探索和開發的整個流程。使用動物測試帶來的道德上的質疑也會一并被避免!而且如果藥物測試的生意能產生足夠收益的話,Organovo 的能力可能將會得到擴大,測試用的材料也將不只是肝臟組織,而還會有更多復雜的結構。

“我們已經證明了這個理念,并使它進入了實踐,”雷納德說,“挑戰在于要繼續進行深入的開發,構造除了肝臟以外的組織,比如說腎臟、肺、皮膚。”

雷納德拒絕評論麥克羅夫說他即將在俄羅斯取得的生物打印的成功。但在關于古怪的試管肉和生物芯片大腦的縱情設想、以及正在埃爾帕索還有圣迭哥完成的平淡的科學進步之間,還是有著很明顯的聯系。

“2015 年我們就能打印人體組織”這個想法純粹是個狂想。而且可能,僅僅是可能,打印器官這個事兒可能比一些 3D 生物打印的早期鼓吹者設想的更難,但這讓整個事情變得更有意思了,而不至于更無聊。軟件可以打造出一個全新的世界,它可以做應用、做游戲、做平臺,甚至還能 3D 打印出一把槍!但它改變世界的速度有時候會讓人覺得,我們在生物學這個更加錯綜復雜的領域里,同樣可以上演迅雷不及掩耳的魔術。

但當有人回顧正在全世界的實驗室里發生的事情時,有一點似乎很明顯,那就是材料科學、數字技術和細胞生物學的融合,最終將會造就許多奇跡,讓我們用軟件玩兒出的所有小把戲看起來都像是小孩子在玩兒過家家。即使我們離生物打印乳頭還有十年、二十年之久,但正在到來的顛覆卻貌似幾乎是我們不可能捉摸得透的。


翻譯 ?is譯社 葛仲君

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