從3D打印到3D器官打印，人類離打印生命還有多遠的距離？
時間：2022-09-14 14:00 來源：觀察未來科技 作者：admin 閱讀：次
從20世紀80年代到今天，3D打印走過了—條漫長的發展之路。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，也取得了重大進展。當然，生物3D打印也有許多層次，包括制造無生物相容性要求的結構，比如目前有廣泛應用的手術路徑規劃用產品的3D打印等，制造有生物相容性要求的不可降解的制品，比如鈦合金關節、缺損修復的硅膠假體等，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，也最受關注的，還是在操縱活細胞構建仿生三維組織的器官3D打印。
由于人類對生命延續的渴求，可以說，器官打印是人類千百年來的夢想，而打印生命則是人類的終極愿望。現在，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打印的實現與組織工程（tissue engineering）和再生醫學（regenerative medicine）密切相關。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華裔科學家馮元楨提出，在1987年被美國國家科學基金委員會確定。組織工程是指先將細胞沉積在生物支架（scaffold）上形成細胞材料復合物，然后將含細胞支架植入體內，利用體內環境進行誘導形成相應的組織或器官，實現創傷修復和功能重建。常規的組織工程的做法是將支架制造與細胞黏附分離，但這樣就難以在支架不同位置實現不同種類、不同密度細胞的沉積。而生物3D打印則可以實現多細胞空間定向操縱及不同細胞密度的可控沉積，恰好解決了組織工程目前所面臨的難題。
一直以來，體外制造活性組織或器官都是人們孜孜不倦追求的目標。究其原因，一方面，目前器官移植的缺口巨大。迄今為止，許多醫學難題諸如腎衰竭、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，然而異體器官移植一直以來都存在著供體不足的問題。無論是國內還是在國際上，由于器官捐獻量不足，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，根據美國器官資源共享網絡（UNOS）公布，每1.5小時就有1例病人因為等不到合適的器官移植而死亡，每年有超過800萬例患者需要進行組織修復相關手術。在我國，據統計每年大約有150萬人因末期器官功能衰竭需要器官移植，但每年卻僅有約1萬人能得到器官移植的救治，有限的活體器官來源滿足不了患者需求。
單以腎移植手術為例，每年進行移植的患者為3000人，而需求者高達30萬。大多數患者只能在等待配體的過程中病情惡化甚至離世。與此同時，中國需要接受器官移植的患者數量還在以每年超過10%的增量擴大。另外，器官移植后還存在免疫排異反應，需要長期進行免疫抑制治療。
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的排異反應等問題。生物3D打印技術的出現及快速發展為組織或器官短缺的問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胞經體外誘導分化而來的活細胞為原料，在體外或體內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打印在器官移植領域已取得了一定的成績，被應用于皮膚、骨骼、人造血管、血管夾板、心臟組織和軟骨質結構的再生與重建。
另一方面，當前的醫學機理機制研究需要更為精準的體外模型。傳統的解決方案往往是基于細胞二維培養及動物實驗。然而，基于細胞二維培養的方法和真實體內的三維環境相比差異很大，有些情況下還有可能出現互相矛盾的結果，這就使得參考價值有限。而動物實驗除了有很多倫理學的問題外，最為關鍵的是動物的體內環境和人體環境有很大的差別。
也就是說，如果能在體外采用人體細胞重構出組織或器官的所在三維環境，就可以很好地彌補現有解決方案的缺陷，而體外組織或器官的構建無疑可以廣泛應用于藥物篩選及疾病機理探究。
而這將為人們帶來的，則是人類在精準醫療和個性化醫療的躍進一步。畢竟，每個人的身體構造、病理狀況都存在特殊性和差異化，尤其是病情復雜、罕見的患者，考慮到手術風險較大，醫生可借助3D打印技術，將患者病變部分按照1∶1的比例完整打印出來，針對復雜、罕見、高難度病例進行術前規劃與精準演練。
這不僅為醫生設計手術方案提供精準的三維立體結構數據，也可在更直觀更真實的前提下預演整個手術過程，完善手術規劃，從而提高真實手術的精準度，降低手術風險。此外，針對不同患者，3D打印個性化手術導板，能夠有效減少手術的創傷和出血量，大大縮短手術時間，提高手術準確度。
因而，與傳統醫療技術相比，在尊重和掌握個體差異的基礎上，3D打印技術能夠實現真正個性化定制，使醫療更加精準化。
由于人類對生命延續的渴求，可以說，器官打印是人類千百年來的夢想，而打印生命則是人類的終極愿望。現在，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打印的實現與組織工程（tissue engineering）和再生醫學（regenerative medicine）密切相關。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華裔科學家馮元楨提出，在1987年被美國國家科學基金委員會確定。組織工程是指先將細胞沉積在生物支架（scaffold）上形成細胞材料復合物，然后將含細胞支架植入體內，利用體內環境進行誘導形成相應的組織或器官，實現創傷修復和功能重建。常規的組織工程的做法是將支架制造與細胞黏附分離，但這樣就難以在支架不同位置實現不同種類、不同密度細胞的沉積。而生物3D打印則可以實現多細胞空間定向操縱及不同細胞密度的可控沉積，恰好解決了組織工程目前所面臨的難題。
一直以來，體外制造活性組織或器官都是人們孜孜不倦追求的目標。究其原因，一方面，目前器官移植的缺口巨大。迄今為止，許多醫學難題諸如腎衰竭、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，然而異體器官移植一直以來都存在著供體不足的問題。無論是國內還是在國際上，由于器官捐獻量不足，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，根據美國器官資源共享網絡（UNOS）公布，每1.5小時就有1例病人因為等不到合適的器官移植而死亡，每年有超過800萬例患者需要進行組織修復相關手術。在我國，據統計每年大約有150萬人因末期器官功能衰竭需要器官移植，但每年卻僅有約1萬人能得到器官移植的救治，有限的活體器官來源滿足不了患者需求。
單以腎移植手術為例，每年進行移植的患者為3000人，而需求者高達30萬。大多數患者只能在等待配體的過程中病情惡化甚至離世。與此同時，中國需要接受器官移植的患者數量還在以每年超過10%的增量擴大。另外，器官移植后還存在免疫排異反應，需要長期進行免疫抑制治療。
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的排異反應等問題。生物3D打印技術的出現及快速發展為組織或器官短缺的問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胞經體外誘導分化而來的活細胞為原料，在體外或體內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打印在器官移植領域已取得了一定的成績，被應用于皮膚、骨骼、人造血管、血管夾板、心臟組織和軟骨質結構的再生與重建。
另一方面，當前的醫學機理機制研究需要更為精準的體外模型。傳統的解決方案往往是基于細胞二維培養及動物實驗。然而，基于細胞二維培養的方法和真實體內的三維環境相比差異很大，有些情況下還有可能出現互相矛盾的結果，這就使得參考價值有限。而動物實驗除了有很多倫理學的問題外，最為關鍵的是動物的體內環境和人體環境有很大的差別。
也就是說，如果能在體外采用人體細胞重構出組織或器官的所在三維環境，就可以很好地彌補現有解決方案的缺陷，而體外組織或器官的構建無疑可以廣泛應用于藥物篩選及疾病機理探究。
而這將為人們帶來的，則是人類在精準醫療和個性化醫療的躍進一步。畢竟，每個人的身體構造、病理狀況都存在特殊性和差異化，尤其是病情復雜、罕見的患者，考慮到手術風險較大，醫生可借助3D打印技術，將患者病變部分按照1∶1的比例完整打印出來，針對復雜、罕見、高難度病例進行術前規劃與精準演練。
這不僅為醫生設計手術方案提供精準的三維立體結構數據，也可在更直觀更真實的前提下預演整個手術過程，完善手術規劃，從而提高真實手術的精準度，降低手術風險。此外，針對不同患者，3D打印個性化手術導板，能夠有效減少手術的創傷和出血量，大大縮短手術時間，提高手術準確度。
因而，與傳統醫療技術相比，在尊重和掌握個體差異的基礎上，3D打印技術能夠實現真正個性化定制，使醫療更加精準化。
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