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3D 打印的身体部件,真的可以用吗?

智能

3D 打印的身体部件,真的可以用吗?

Andrew Leonard2015-08-01 03:17:00

美国的一些创业公司正在致力于打印乳房和小块肝组织,俄罗斯的生物打印鼓吹者也自称可以按需提供甲状腺。


本文由 Medium 和 Andrew Leonard 权《好奇心日报》发布。Andrew Leonard 是一位自由撰稿人,曾任 Salon 网站的科技频道记者、编辑


劳拉·博斯沃兹(Laura Bosworth)想要为人们提供根据需求用 3D 打印技术打印出来的乳头。这位德州创业公司 TeVido 生物设备公司(TeVido Biodevices)的 CEO 把赌注都押在了那些靠做乳房切除术而挺过乳腺癌的患者们身上,她们将可以订购到用她们自己的活体细胞打印出来的新乳房。

劳拉说:“要是哪个女的得过乳腺癌,所有人都能看得出来。”现在,这些患者的选择还很少。她说,当下重建乳房用的都是整形手术技术,这种技术做出来的乳房“会慢慢变平、消失,并不会很持久”。用患者自己身上的脂肪细胞培养出来的活体乳房根据原来乳房的尺寸精确重建之后,就可以持久改善往往由乳房切除术造成的心理创伤。

博斯沃兹也承认,在成为人们可以承受得起的现实之前,乳房 3D 打印还有很大的障碍需要克服。2011 年,维克森林大学(Wake Forest)的教授安东尼·阿塔拉(Anthony Atala)在 TED 的讲台上号称自己打印出了人的肾脏,让当时举座皆惊,尽管这一举动随后引起了一阵热潮,但目前还没有人用 3D 打印机打印出能为人所用的人类器官。

技术上的实现只是这场战役的前一半。风投资本家们其实并没有争着去给 TeVido投资。根据博斯沃兹的观察,“为一个打车应用”筹钱要更加容易一些,而生物医学突破在研发阶段就要花掉数百万美元,而在这之后、产品上市之前,还有过程很长的临床试验。

不过博斯沃兹相信,任何率先从实验室走出来的产品,面对的都是一个价值 60 亿美元的市场。“这个领域本身已经有了非常大的发展,”TeVido 的联合创始人托马斯·博兰德(Thomas Boland)说。他是第一批把打印油墨的普通 3D 打印机修改以后,用来打印活体细胞的科学家之一。远在中国俄罗斯瑞士,还有在常青藤学校的实验室以及圣迭哥的生物科技基地,所有人都在向前推进生物打印技术。材料科学、细胞生物学和计算机控制制造技术等学科都在这里融合

如果我们相信自己最近听到的所有东西的话,那么我们还正在 3D 打印我们的食物、我们的汽车、我们的家、我们的电子设备——天哪,要是我们客厅里需要的一切都不再装在集装箱里从中国运过来,而是直接 3D 打印出来,那么整个全球贸易的架构都将被颠覆。它的前景几乎是无可限量,现在实现的那些东西都还受到了思维的局限。

这种弯弯绕绕的说辞听起来很浮夸,就好像是科幻小说和生物打印冰冷而艰难的事实至少在现实中走到了一起,而之所以能做到这一点,是因为一次非同寻常的聚会,参会的人分别是一位用 3D 打印做乳头的人、一位组织培养界的先锋,还有一位(很可能已经)疯狂的俄罗斯未来学家。在那次可以让人一窥宏伟前景的聚会上,谨慎的科学家们不怎么愿意和人往来,荒唐的事情和陈词滥调交杂在一起。你还会注意到一件最令人震惊的事情:事实上,在场的人们在谈论打印人体部件这件事的时候,都带着精明的商业头脑。

现在,我们回过头来聊聊乳头的事。

2000 年,托马斯·博兰德还在南卡罗莱纳州的克莱姆森大学(Clemson University)当副教授,当时是他第一个想到把一台标准的惠普喷墨打印机改造之后,用它把一层细胞放到另一层细胞之上,所以他也被人们称为“生物打印教父”。现在他是德克萨斯大学埃尔帕索分校(University of Texas El Paso)生物医学工程项目的主任。2010 年,在一个旨在把德克萨斯大学有创业精神的科学家和有经验的商界人士撮合到一起的指导项目上,戴尔电脑的退休高管博斯沃兹碰到了博兰德。

“越是了解这个技术的潜力,我就越觉得这是一个非常棒的东西,”博斯沃兹回忆道,“有一天我对托马斯说:‘我们该开个公司’,然后他说‘那就开家公司吧’。”

博斯沃兹为此着迷的原因也很简单。因为 3D 生物打印技术立刻就变得容易描述起来,而且完全令人震惊。别的 3D 打印是通过喷洒一层又一层的塑料或者其他合成物制造没有生命的物体,而生物打印机用的是用活体细胞制成的“生物油墨”。一般说来,许多层不同类型的细胞会和一层层的“细胞外基体(extracellular matrix)”(一种胶体,细胞会悬浮在其中)混合在一起。


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培养皿中刚刚 3D 打印出来的组织结构。由爱荷华大学供图。


数十年来,细胞生物学家们一直在培养细胞,试图构造更大的结构出来。博兰德说,3D 打印的优势在于它的精度、灵活性和速度。在特定的位置放置不同类型的细胞将会比用手操作快许多。速度是非常关键的因素,因为组合的速度越慢,细胞就越可能死掉。使用多个包含了不同细胞类型和基体的打印机喷头,人们就可以在短时间内构造出非常复杂的结构。

快速地把细胞放到位只是一切的开始。打造出可被移植进人体的、具有完全功能的器官,是科学家们努力追求的目标,而找到让细胞存活的办法,则被看作是实现这一目标过程中最大的障碍。在人体内的器官里,细胞是通过由血管和毛细血管组成的网络(也被称为脉管系统)提供营养而存活的。而安东尼·阿塔拉在 TED 上打印出来的肾脏尽管外形是肾脏的样子,但是却不具备这种支持它存活的网络。博兰德说:“事实证明,把这种微型脉管系统嵌入到打印出来的结构里,是一件非常困难的事。”

现在还没有人能确凿地说脉管系统的问题到什么时候能解决、怎么解决。比如在哈佛大学的威斯研究所(Wyss Institute),一个由詹妮弗·路易斯(Jennifer Lewis)领衔的团队就得到了人们的广泛关注,因为该团队发明了一种工艺,使用一种有着非常特别的特性的生物油墨,在细胞外基体中打印出了血管网络。这种油墨在冷却下来以后就会溶化,当具备了活体细胞、细胞外基体和一根分支血管的整个组织结构被打印出来以后,路易斯的团队就会把整个结构冷却下来、抽出溶化掉的生物油墨,这样就留下了一个空心的血管网络,理论上讲,它可以用来为细胞输送营养。现在已经是 TeVido 顾问的博兰德说,他在埃尔帕索分校的实验室一直在进行实验,通过打印出上皮细胞中的“通道”,细胞就会构造出血管壁。他们的目标是看看细胞是否能在这样的引导下,自主组合成具有相应功能的结构。不过 TeVido 的首席技术官斯科特·科林斯(Scott Collins)因为涉及知识产权的原因,拒绝透露更多细节。

“从可以交付(临床使用)的角度上讲,我们做出来(可用的)器官了吗?没有,”博兰德说,“但我们已经更加接近这个目标了。”

科林斯这时补充道:“我们想做第一个(实现这个目标的公司)。”

科林斯说,阻止 TeVido 实现预期目标的主要问题并不是技术本身,而是研究经费。到目前为止,它都在精打细算地使用几个来自政府的资助。1 月时,TeVido 甚至迈出了前所未有的一步,在 Indiegogo 上发起了一次众筹,筹到了据它自己说将会用来申请专利的 3 万美元。

用活体细胞再造乳房很显然是件令人激动的事情。但是现实(众筹数万美元来申请专利,以及从实验室到临床试验再到人体应用的漫长过程)却有点儿乏味。构造新的人体部件可比编一个新应用难多了。

当今时代,由计算机硬件驱动的科技变革以及软件的神奇作用,都无时无刻不在被称为是颠覆性的革新,但是令人激动的愿景和迟缓的科技进步之间的距离有时却会消失不见。事实上人们发现,在过去几年里,3D 打印技术界的这种距离变成了最让人困惑的事情。


2生物科技研究实验室(Labaratory of Biotechnology Research)科学主管弗拉基米尔·麦克罗夫(Vladimir Mironov)。由 3D Bioprinting Solutions 供图。


去年 11 月,《今日俄罗斯(Russia Today)》上的一篇新闻报道汇集了一系列有关生物打印的博客和科技网站,让人激动得发抖。莫斯科一个叫做 3D Bioprinting Solutions 的实验室宣称,到 2015 年 3 月,他们将可以打印出一只具有完全功能的老鼠甲状腺。该实验室主管弗拉基米尔·麦克罗夫甚至说,到 2018 年,他们将开始打印具有完全功能且可以移植的肾脏。

“第一个打印出来肾脏、把它成功移植到患者身上,而且还能让患者活下来的那个人,肯定能拿诺贝尔奖,”麦克罗夫说。

麦克罗夫的预测很可能是没错的,任何一个成功利用生物打印技术打印出来一个能用的人类肾脏的人,都将得到来自全世界的称赞。到那个时候,乳房再造技术的改进所带来的心理益处都不是个事儿,能否有更多的肾脏可是关乎生死的。现在仅在美国就有 10 万多人排在等待肾源的名单上——但在 2013 年,肾脏移植手术只做了1.7 万例。能成功利用生物打印技术打印出人类肾脏,将会拯救数千人的生命。

我一般不会过多相信《今日俄罗斯》上面所报道的事情,但我非常好奇。比如我想知道,麦克罗夫将如何解决脉管系统的问题?我想采访到他,但没能成功。

不过当我在 Google 上搜他的名字时,结果却非常有意思。

首先,2011 年,麦克罗夫曾为《未来主义者(The Futurist)》杂志写过一篇文章,预测在不久之后,我们整个人类都将可以被打印出来。而且不难预测的是,更换人的身体最终将会像换衣服一样成为常态,整形外科手术也将与时尚融合在一起。

人体打印技术将会让你不用再为了成为完全发育的成人而等待 18 年:理论上讲,人类可以按需打印出来,而且只要几周时间就能具有成人的全部功能。大脑可以被生物芯片取代,而与大脑相关研究则需要发展到某个水平,从而实现对大脑的逆向工程和生产。

“整形外科手术也将与时尚融合在一起”这句话还可能放到生物打印乳头上去理解,但通过生物打印技术、花几天或者几周之内按照需求打印出整个人体?引用托马斯·博兰德的话来说,这种任务看起来很可能“非常困难”。


3生物科技研究实验室的工程师亚历山大·密特里亚什金(Alexander Mitryashkin)。由 3D Bioprinting Solutions 供图。


但是情节后来变得复杂了起来。2003 年,麦克罗夫还在南卡罗莱纳医科大学(Medical University of South Carolina)当研究员,在与别人合写的一篇论文中,他们描绘了使用 3D 打印机制造人体组织的前景。而论文的其他作者中,有一位正是博兰德!第三位作者、密苏里大学的生物物理学家加博·福加斯(Gabor Forgacs)则与人联合创办了一家名叫 Organovo 的公司,这家公司成功上了市,现在正在利用生物打印技术打印用于药品测试的人类肝脏小样。麦克罗夫的名字也出现在了一项制造组织的专利中,现在这项专利由 Organovo 所有。

2003 年,麦克罗夫靠着自己的论文把人们带进了生物打印时代,数年之后,由于他在 PETA(善待动物组织)的资助下,参与了一个制造“试管肉(in-vitro meat,也被称为 schmeat)”的项目,麦克罗夫在流行文化圈里背上了一些恶名(这事还上了《寇伯特报告(Colbert Report)》)。麦克罗夫的目标是:在完全确保符合人道主义原则的基础上,为未来提供可持续的食物来源。

到 2011 年,麦克罗夫稳稳当当地当上了南卡罗莱纳医科大学高级组织生物制造实验室(Advanced Tissue Biofabrication laboratory)的主管,这个实验室拥有 2000万美元的研究资金。但在 2011 年 2 月,他突然被停职,实验室也被关掉了,至今原因不明,但似乎涉及到一些个人之间严重的冲突。南卡医科大的一位院长只是说,麦克罗夫做了一些“不可接受的行为”。而麦克罗夫则对《自然》杂志说:“我被禁止做研究,他们说我是个不稳定因素。真是太离奇了。”

2011 年以后,麦克罗夫的行踪变得更加难以捉摸。他似乎花了一些时间去主持在巴西的研究,同时又在《未来主义者》上写了一些充满憧憬的文章,最后又突然出现在莫斯科,搞了他的新公司和新实验室。

让我们来回顾一下:一位曾经得到过 PETA 资助的合成肉研究员,他相信我们最终会通过生物打印技术来打印出装有生物芯片大脑的整个人类,现在他正在俄罗斯努力工作,利用 3D 打印机制造老鼠的甲状腺。这不是美国小说家托马斯·品钦(Thomas Pynchon)下一部小说里的情节,而是冷冰冰、硬梆梆的现实。

但是,通过回溯由麦克罗夫 2003 年那篇论文的合著者联合创办的创业公司,我最后了解了 TeVido 和 Organovo 这两家真实存在的公司,它们都雇佣了真正的科学家,在做实实在在的东西。在生物打印界,科幻小说和经过了同行评议的研究之间的区别是非常、非常细微的。

Organovo 负责商业运作的执行副总裁迈克尔·雷纳德(Michael Renard)说,在将生物打印技术商业化方面,Organovo “还远不是领头羊”。

雷纳德说,Organovo 创立之初的目标,是制造生物打印机并卖给别人,但在和投资人以及制药企业讨论之后,公司最后认为,调整和部署公司的技术,将其用于药品测试生意,会有更好的前景。11 月,Organovo 宣布,3D 打印的“用于临床前期药物探索测试的人类肝脏组织”正式进入商用。


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生物打印出来的人类肝脏组织的剖面图。由 Organovo 供图。


Organovo 生产的肝脏组织样本和具有完全功能的肝脏是两种截然不同的东西。它们都是微小的组织切片,长宽各 3 毫米、厚 1 毫米,而且只能保证存活 40 天。它们并不包含可用的血管结构。但从理论上讲,它们确实能解决制药企业面临的一个严重的问题——在走完美国食品药品监督管理局(FDA)又长又费钱的许可流程之前,它们没有办法在活体人类组织上测试药物。

这听起来可能没有打印肾脏或者乳头那么引人注目,但如果能奏效的话,它的长期影响会是巨大的。利用人造组织测试药物将可能会极大的加速药物探索和开发的整个流程。使用动物测试带来的道德上的质疑也会一并被避免!而且如果药物测试的生意能产生足够收益的话,Organovo 的能力可能将会得到扩大,测试用的材料也将不只是肝脏组织,而还会有更多复杂的结构。

“我们已经证明了这个理念,并使它进入了实践,”雷纳德说,“挑战在于要继续进行深入的开发,构造除了肝脏以外的组织,比如说肾脏、肺、皮肤。”

雷纳德拒绝评论麦克罗夫说他即将在俄罗斯取得的生物打印的成功。但在关于古怪的试管肉和生物芯片大脑的纵情设想、以及正在埃尔帕索还有圣迭哥完成的平淡的科学进步之间,还是有着很明显的联系。

“2015 年我们就能打印人体组织”这个想法纯粹是个狂想。而且可能,仅仅是可能,打印器官这个事儿可能比一些 3D 生物打印的早期鼓吹者设想的更难,但这让整个事情变得更有意思了,而不至于更无聊。软件可以打造出一个全新的世界,它可以做应用、做游戏、做平台,甚至还能 3D 打印出一把枪!但它改变世界的速度有时候会让人觉得,我们在生物学这个更加错综复杂的领域里,同样可以上演迅雷不及掩耳的魔术。

但当有人回顾正在全世界的实验室里发生的事情时,有一点似乎很明显,那就是材料科学、数字技术和细胞生物学的融合,最终将会造就许多奇迹,让我们用软件玩儿出的所有小把戏看起来都像是小孩子在玩儿过家家。即使我们离生物打印乳头还有十年、二十年之久,但正在到来的颠覆却貌似几乎是我们不可能捉摸得透的。


翻译  is译社 葛仲君

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