克隆羊「多莉」死亡背后，首例 3D 打印器官成功移植，未来或可登陆太空｜HyperTech
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一位 20 岁，患有耳部畸形的患者在上周四接受了人工耳移植。移植所用的耳朵是由患者自体细胞培养、3D 打印技术制作的。操作本次手术的专家称，这是世界上第一例成功的 3D打印器官移植。
这只新耳朵和患者健康的左耳外观完全一样，负责本次移植的再生医疗公司 3DBio Therapeutics 称。移植后，新耳朵将在患者身上继续进行软骨发育。
在这次移植中，这家公司首次尝试了用患者耳部组织培养的细胞作为「墨水」，用3D打印技术复制了复杂的耳部结构。
接受移植的患者来自墨西哥，患有一种先天性畸形症 「小耳症」。这种疾病发生概率在 1 / 6000 左右，临床表现为外耳发育异常，听小骨、下颚骨甚至听觉神经都有可能受到影响。而移植后的新耳朵，不仅能在外观上与正常耳朵一样，内部构造和听觉功能也与正常耳朵别无二致。
左：先天小耳症患者的耳朵 右：移植后的 3D 打印新耳朵 | Euronews
3D 打印耳朵是如何制作出来的？
医生首先取出患者耳部的一小块软骨，提取出其中具有分化能力的细胞，将其放到含有营养的培养器里。在培养器中，这部分细胞将分化、成长为数十亿成熟细胞。
随后，这些细胞与由胶原蛋白构成的「生物墨水」混合，变成具有粘连力和支撑力的液体材料。
然后，这些液体被注入 3D 打印机中，从高精度且十分灵活的的喷头里一点一点被挤出来，塑造成患者另一侧健康耳朵的形状。这一过程仅耗时 10 分钟。
最后，打印完成的新耳朵被放置在特制的可降解生物材料容器里冷却、定型，最后被移植到患者的耳部。待新耳朵的皮肤组织与患者融合，变得紧致后，整个过程就完成了。
器官移植困境与死去的克隆
生物 3D 打印为何成为医疗器官培育的新方向？
人体器官都是有「保质期」的。正常情况下，人的肺部20岁后就会开始衰老；心脏和肾脏大概 40、50 岁左右开始衰老；而肝脏虽然经常坏掉，衰老得倒是比较慢，70 岁才开始。
但事实上，这只是最理想的情况。现实生活中，人们由于不良的生活习惯和日益恶化的环境，器官衰老的时间大大提前。例如，有研究显示，在 PM 2.5 严重的地区，肺部仅仅在 10 多年后就表现出衰老的迹象。
这些器官衰老，或来自外部的损伤，常规的治疗方案里最有效的可能是器官移植。但是，器官移植面临一个很严重的问题，就是供体短缺。在中国，等待移植的患者和供体数量的比例大概是 150：1. 这意味着，只有极少数的患者能够等到合适的器官。
并且，由于移植所用的器官来自于异体，患者还要面临免疫排斥的问题。很多情况下，患者需要终生服用免疫抑制剂。
很多人会问，克隆技术已经出现这么久了，是否能够解决器官移植问题。首先，由于伦理方面的问题，医学上对克隆技术的使用是有严格限制的。
过去，克隆胚胎的培养不可以超过 14 天。直到 2021 年，中国才放宽了这项限制。为什么不可以超过 14 天？因为胚胎在培育了 14 天后，心脏会开始跳动，神经也会开始发育，会感受到痛觉，已经可以被称作一条生命了。
并且，克隆技术仍然具有风险。人们熟知的克隆羊多莉，实际上存活 6 年后就因为癌症去世了。虽然随后科学家继续做出了能够存活十几年甚至二十年的升级版克隆羊、克隆牛，但这项技术还是不能被广泛应用到医学中。
去世的克隆羊多莉被制成标本 | DW
于是，人们将目光转向了最初被用于工业制造领域的 3D 打印技术。2018 年，英国纽卡斯尔大学的一个团队打印出了第一个人类角膜，而以色列特拉维夫大学的研究团队利用一名心脏病患者的人体组织，打印出了一个微型心脏，他们认为这可以用于设计「心脏补丁」，以修复心脏的受损部位。
不过它是个微缩版，大小只相当于兔子的心脏。该心脏的细胞可以出现收缩现象，但是还不能泵血。
很快，2020 年的时候，美国明尼苏达大学打印出来了能够进行泵血功能的 3D 心脏。
而这一切的基础，始于一个用小鼠完成的血管再生实验。
细胞求生、低重力打印
科学家将小鼠的动脉切成一节一节的环状结构，然后把它们逐个套起来。72 小时后，这些血管节又重新长到了一起，形成了一个有功能的，可以输送血液的血管。
这项实验说明，在生物体外，把细胞按照原本的结构堆积起来，是可以形成功能性的结构的。这是生物 3D 打印技术的核心原理，与工业 3D 打印的原理基本相同。
然而，现实操作中，细胞面临的首要问题是，在打印过程中造成的损伤。像下图展示的那样，左边是打印后当天的细胞结构，右边是打印后 3 天的细胞情况。
左: 打印后当天的细胞状态 右：打印后 3 天细胞已死亡 | ResearchGate
虽然右图中还是能看到一个个小圆点，但细胞实际上并没有存活下来。正常的细胞由于内部含有大量液体和支撑结构的框架组织，存活时会完全伸展开。如果变成像右图中一个个小圆球的形态，说明细胞其实已经损伤了。
让细胞在 3D 打印后存活下来其实是一件很难的事情，需要不断调整打印的参数、添加能够使细胞固定的生物材料、融合血管与细胞间的屏障。存活下来的细胞会展开，彼此互相粘连，把方形的孔拉成圆形。
左：打印后当天组织支架呈方形 右：打印后 3 天支架变形 | ResearchGate
但解决了细胞损伤的问题之后，随之而来的反而是细胞的过度生长。细胞需要支架来维持整个组织的结构，而研究人员通常采用对细胞有营养的物质作为打印的材料。当细胞过度生长时，就会吸收掉支架，结构就会遭到破坏。
于是，一些人开始研究是否可以在地球上复制轨道上的低重力环境，以培育出复杂而脆弱的器官。例如，俄罗斯「3D 生物打印解决方案」（3D biopprinting Solutions）公司就生产了一个系统，利用磁场使组织悬浮起来，从而形成所需的结构。
科学家们还必须想办法让打印出来的器官具有正常工作的血管和神经末梢。但在此之前，国际空间站的生物制造设施或许还可以进一步发掘其打印人体组织的潜力，满足工业和机构客户的需求。
一些人，比如 Techshot 公司的首席科学家吉恩·博兰德，已经在设想有朝一日——可能是在本世纪 30 年代或 40 年代——在近地轨道上建立生物打印设施，利用微重力环境打印更复杂的人体组织。
「我的女儿出生时只有一个肺，」 3D 打印公司 NScrypt首席执行官肯•丘奇说，「她 27 岁了，现在情况良好，但仍然只有一个肺。不过，这也让我开始研究组织工程——那时生物打印还不存在——并且被这个概念迷住了。」
NScrypt 公司帮助开发了安德鲁•摩根在国际空间站上使用的生物打印机。
目前 NScrypt 公司正在开发下一代生物打印机。这是一种生物反应器，不是利用低重力环境来防止打印出来的组织出现中心坏死，而是采用了其他方法，如旋转、摇晃，或是在组织生长时注入氧气。「如果我能在我女儿的有生之年为她培育出一个肺，我会感到非常激动，」丘奇说道。
虽然目前的生物 3D 打印技术仍然有不少难关需要攻克，全球的生物 3D 打印市场已经在蓬勃发展。2022 年，生物 3D 打印全球市值预计在 19 亿，至 2023 年，净利润预期将达到 53 亿。头部初创公司包括第一家研发生物墨水的 Cellink，生物 3D 打印机制造商 Allevi，专注基因和蛋白打印的 Nuclera Nucleics 等等，领域主要涉及生物医药材料设计制作和器官打印。
在未来，或许真的会如谷歌首席未来学家雷·库兹韦尔（Ray·Kurzweil）预言的那样，人类即将来到永生的边缘：
「在我看来，到 2029 年左右，人类会来到一个临界点。每过一年，人类的寿命就能延长一年，这要得益于科学技术到那个时间的发展。到了那时候，人类的寿命将不再是通过出生的日期到活着的时间来进行计算，取而代之的是人类每年所延长的寿命会比已经走完的时间还要长。」
原文链接：
Doctors Transplant Ear of Human Cells, Made by 3-D Printers
shorturl.at/OR469