3D打印出人體器官?這或許在20年前根本不能想象，如今卻有可能通過3D生物打印機(jī)來實(shí)現(xiàn)。“當(dāng)然我們所用材料不是墨水，而是‘生物墨水’，即細(xì)胞。”邁克·瑞納德(Michael Renard)對本報記者表示，如何創(chuàng)造這些“生物墨水”正是技術(shù)的關(guān)鍵。
邁克·瑞納德是美國Organovo公司執(zhí)行副總裁兼商業(yè)運(yùn)營官。這是一家來自美國圣地亞哥專注3D打印制造生物組織并用于藥物研究和外科運(yùn)用的公司，該公司通過和美國專門學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)以及其他商業(yè)公司合作，研發(fā)技術(shù)。一個最開始靠天使投資設(shè)立于2007年的小公司，成為全球第一家擁有3D生物打印技術(shù)的公司。
2010年，其高調(diào)推出了第一款商業(yè)化的3D生物打印機(jī)并用于制造組織，但是其并沒有公開銷售，而選擇進(jìn)行低調(diào)在幾個固定學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行科研使用。
“現(xiàn)在我還不能向你透露具體運(yùn)營臺數(shù)和造價，但是這些生物3D打印機(jī)目前用于我們自身的研究室、還有一些選擇性的學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)，用于研究組織工程學(xué)。”瑞納德表示。
但根據(jù)美國《華爾街日報》對此的報道顯示，該公司目前已經(jīng)有10余臺3D生物打印機(jī)，每臺造價在數(shù)十萬美元。
目前，通過此技術(shù)利用細(xì)胞可以打印出具有功能性的人體組織，但是尚還不能完成復(fù)雜的器官打印。
然而瑞納德表示，最終的目標(biāo)是能夠打印出可移植的人體器官，“當(dāng)然我們近期的目標(biāo)還是將著力于醫(yī)療研究和藥物尋找上。
除此之外，面對一些研究實(shí)際難題，瑞納德表示，“我們現(xiàn)在關(guān)注于制造出更大的人體組織，與微型血管系統(tǒng)結(jié)合。”
“生物墨水”的秘密
一般而言，銀、塑料或是鈦等材料利用3D打印機(jī)可以生產(chǎn)出一個個實(shí)際的物體，或是玩具，抑或是珠寶等。
而對于3D生物打印機(jī)而言，這一切都不是那么簡單，因?yàn)槠渌枰氖?ldquo;生物墨水”。
“我們所用材料來源為細(xì)胞。”瑞納德表示。
本報記者從Organovo以及其合作研究機(jī)構(gòu)處了解到，目前這些細(xì)胞主要有四種來源：成人干細(xì)胞(adult stem cells)、誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(induced pluripotent stem cells，簡稱 IPS細(xì)胞)、原始細(xì)胞(primary cells)以及祖細(xì)胞(progenitor cells)。
與之相對，其他相似機(jī)構(gòu)則是使用人造生物材料或是異基因的材料用以設(shè)計(jì)和最終組織的構(gòu)成。
“但是，相比而言，我們生產(chǎn)的組織是有功能性的、100%的人體組織、無支架以及脫細(xì)胞的組件。”瑞納德表示。
有了這些細(xì)胞材料后，通過在3D生物打印機(jī)的作用下，理論上各式各樣的組織就能形成了。
根據(jù)美國實(shí)驗(yàn)室最新研究報告顯示，該類打印機(jī)能夠生產(chǎn)出組織結(jié)構(gòu)，通過一層一層的架構(gòu)最終形成3D造型體，如適用于血管的管子和適用于關(guān)節(jié)的波狀軟骨。
據(jù)了解，Organovo問世的3D生物打印機(jī)擁有以激光為導(dǎo)向的印刷噴嘴，而這個噴嘴可以噴出由不同細(xì)胞混合的“墨水”。而每一滴“墨水”就是含有10000至30000萬個細(xì)胞的一滴溶液，最終形成人體組織。
“這些細(xì)胞在開始必須精心的準(zhǔn)備，使其能夠在生物打印機(jī)上得到精確的布置和處置。”瑞納德表示。
目前該款號稱全球第一款商業(yè)化的3D生物打印機(jī)并沒有直接推向市場，但瑞納德表示，他們選擇將其運(yùn)用于自身的科研以及提供給合作伙伴。
“因?yàn)?，盡管目前用其可以設(shè)計(jì)制造出很多人體組織，但另一方面可以通過這個過程去獲得更多有價值的專門技術(shù)。”
據(jù)本報記者了解，目前Organovo最重要的合作伙伴為美國輝瑞制藥公司(Pfizer Inc)、美國聯(lián)合治療集團(tuán)(United Therapeutics Corp)、哈佛醫(yī)學(xué)院以及哥倫比亞大學(xué)等。
面臨三大難題
3D生物打印還處于實(shí)驗(yàn)室階段，而且面臨著形成組織的強(qiáng)度不夠、培育組織的存活問題以及缺乏電腦化的工具，解決個性化器官設(shè)計(jì)的難題。
根據(jù)公開的資料顯示，目前3D生物打印機(jī)能夠非常成功的生產(chǎn)出簡單的組織結(jié)構(gòu)，大約由20層細(xì)胞構(gòu)成。如以厚度為標(biāo)準(zhǔn)衡量，其僅為幾百微米，相當(dāng)于人類少許的頭發(fā)。
然而，目前使用3D生物打印機(jī)生產(chǎn)出來的一些更大組織，其自身力度很差，甚至連自身的磨損都不能承受。
此外，怎樣使這些被生產(chǎn)出的組織得到存活是科學(xué)界關(guān)注的話題。
“一個重要的挑戰(zhàn)是弄清楚怎樣養(yǎng)活這些組織。”賓夕法利亞大學(xué)組織精密加工實(shí)驗(yàn)室主任克里斯多夫(Christopher Chen)曾經(jīng)接受媒體采訪時表示。
對此，瑞納德則表示他們注意到了這些挑戰(zhàn)，并對本報記者表示，“能夠?qū)⑦x好的細(xì)胞和既定的設(shè)計(jì)結(jié)合起來完成細(xì)胞融合、組織形成和所需形態(tài)的過程，最終生產(chǎn)出有效的人類組織。而這一點(diǎn)是整個技術(shù)的重中之重。”
另外，對于相關(guān)電腦軟件問題，Organovo已與全球頂尖的軟件服務(wù)公司Autodesk合作，并于上周宣布兩家公司將合作開發(fā)第一款用于人體器官建模的軟件。
對于此次合作細(xì)節(jié)，瑞納德并未向本報記者過多透露。但是他卻表示雙方合作的第一階段將是組建一個雙邊的項(xiàng)目小組，相關(guān)進(jìn)展消息將會在2013年陸續(xù)公布。
11億美元市場誕生
除此之外，瑞納德還向本報記者詳細(xì)介紹了接下來發(fā)展方向。
“我們現(xiàn)在正在做的一件事情是設(shè)計(jì)和建立人體組織，并在2014年作為商業(yè)發(fā)布。這些組織將會被用于試管實(shí)驗(yàn)加以推動醫(yī)療研究和藥品發(fā)現(xiàn)領(lǐng)域的發(fā)展。”
由此可見，該技術(shù)目前處實(shí)驗(yàn)室醫(yī)療研究和藥品發(fā)現(xiàn)階段，而并非臨床器官移植。
但是這一切并不意味著現(xiàn)在3D生物打印機(jī)不具有商業(yè)價值。恰恰相反，一個巨大的商業(yè)市場正在孕育。
根據(jù)BBC市場研究報告顯示，Organovo已經(jīng)重點(diǎn)關(guān)注的3D生物打印機(jī)運(yùn)用于藥物發(fā)現(xiàn)研究以及毒性測試行業(yè)，全球市場價值達(dá)到了11億美元。
由于被嚴(yán)格控制的臨床實(shí)驗(yàn)以及相關(guān)監(jiān)管體系，目前很難得到相關(guān)實(shí)驗(yàn)批準(zhǔn)，即在病人治療上使用這些組織。而且目前也很難預(yù)測何時能將生物打印組織療法用于臨床。
不過，瑞納德還是樂觀預(yù)測，“未來十年有可能看到第一次簡單的補(bǔ)充性療法，而更加復(fù)雜的移植療法將未來二十年間出現(xiàn)。”