用自身细胞打印耳朵，我们离再生医学的终点还有多远？

6月2日，来自美国德克萨斯州圣安东尼奥的外科医生阿图罗·博尼利亚（Arturo Bonilla）和其团队宣布，他们在一名患有先天性小耳症的20岁女性患者身上，第一次成功植入了使用患者自身细胞进行 3D打印得到的耳朵。这项研究和人体试验标志着使用患者自身细胞作为原材料和3D打印技术在疾病治疗中的双重突破。博尼利亚医生表示：“这一天，正是我在整个职业生涯中一直期盼的一天。”

图1. 本研究中使用的3D打印外耳软骨

插图：3DBio

小耳症（Microtia）是先天耳性畸形的一种，每8000-10000个新生儿中就有一例，表现为耳道闭锁或外耳发育不健全，其中又以右侧外耳发育不全最为常见。小耳症发生在怀孕的早期，病因仍不确定，但人们目前认为其中的一些病例与多个或单个基因的变异、海拔和妊娠糖尿病有关。

小耳症的治疗目前以恢复听力（如佩戴助听器、移植人工耳蜗）和手术重建外耳（如肋软骨移植嫁接、植入聚乙烯塑料或耳朵假体）为主。其中，相比其他手术方式，肋软骨移植嫁接手术有一个显著的优点——使用患者自身的肋软骨组织，大大降低了排异反应。但这需要先通过侵入性手术从患者体内获得肋软骨组织，再构建成外耳的形状。二次手术对病人来说，存在风险大、成本高等诸多缺点。因此博尼利亚医生此次将细胞体外培养、3D打印和外科手术等多项技术相结合，可谓是该领域突破性的创举。

图2. 小耳症患儿

插图：wikipedia

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通过3D打印得到外耳软骨

此次手术在德克萨斯州圣安东尼奥的小耳畸形-先天性耳畸形研究所进行，手术中使用的3D打印耳朵植入物名为AuriNovo，来自于纽约的3DBio Therapeutics公司（以下简称3DBio）。首先，该公司从患者受影响的耳朵中取出软骨细胞（chondrocytes）进行体外培养、增殖。当细胞增殖至需要的数量时，该团队将它们与一种名为ColVivo的胶原蛋白混合，形成生物“墨水”，以此与医疗级3D打印机兼容。同时，他们通过对患者另一只耳朵的3D扫描来确定AuriNovo植入物的形状，并引导3D模型进行打印。与目前使用的小耳症治疗方法相比，该技术旨在提供侵入性更小的植入过程和更准确的耳廓重建。

此次治疗的细节尚未公布，该团队也尚未发表相关论文，但据3DBio公司称，AuriNovo的保护涂层和耳朵本身都会随着时间的推移逐渐成熟，并与患者自身组织融合。或者，正如3DBio的CEO丹·科恩（Dan Cohen）所说：“我们创造了一只有生命的耳朵，并将它植入病人体内。”

作为一项全新临床试验的一部分，这次手术也标志着该试验的开端；未来，该团队与3DBio公司将会把另外10个AuriNovo植入物应用到其他小耳症病患身上。位于加州洛杉矶的Cedars-Sinai医疗中心也将参与其中。

图3. 患者Alexa，手术前和手术后30天。

Dr. Arturo Bonilla, Microtia-Congenital Ear Institute

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3D打印和再生医学的前景

3D打印技术自诞生起就成为了再生医学的宠儿，它可以结合常用的医学图像探测技术（如X光、CT、超声等），通过逐层堆叠材料来制造复杂而精确的结构，因此可以大规模生产或精准定制用于再生的组织、支架等等。在此基础上引入生物相容性材料、活性分子和患者自体细胞，则可以进一步解决器官短缺和免疫排异问题。目前，最有潜力使用3D打印实现再生的器官包括骨骼、软骨、心脏瓣膜、血管、气管、肝脏和皮肤，相关的临床前研究正在快速推进。

尽管3D打印在生物医学中已经被大量研究，但它依然是一项新兴技术，仍有很大改进空间。打印“墨水”（材料）的优化、打印方法的标准化以及大规模生产存在的质控问题，都是3D打印面临的巨大挑战。此外，3D打印结合再生医学的本质依然是将外来物植入人体，而非诱发内源性再生。因此，植入物的生物相容性、结构稳定性和功能完整性依然面临着巨大的考验。目前，尚未有相关的人体试验能告诉我们答案，而这些都需要时间。

此外，在3D打印的基础上更进一步，4D打印已经应运而生。4D打印在3D的基础上加入了时间的维度，该技术允许打印材料在受到外部刺激（例如温度、水、磁力和pH值）激发时改变其物理性质或功能。人体是一个复杂且动态的环境，因此4D打印技术的概念一经提出，就在医疗植入手术中受到了广泛的关注。在过去，干细胞的3D生物打印揭示了从骨骼到皮肤的任何组织再生的可能性；而随着生物打印技术的进步，来自患者的诱导多能干（iPS）细胞结合4D打印技术可以获得更接近于患者自身的组织和器官。尽管目前为止，细胞的重编程过程还未能被完全理解，但我们期待3D与4D生物打印技术能在未来的再生医学中大放异彩！

参考文献

Bonilla, Arturo. "Pediatric microtia reconstruction with autologous rib: personal experience and technique with 1000 pediatric patients with microtia." Facial Plastic Surgery Clinics 26.1 (2018): 57-68.

https://www.cnet.com/science/biology/doctors-3d-print-living-ear-and-transplant-into-patient/

https://www.fiercebiotech.com/medtech/ear-3d-printed-patients-own-cells-implanted-successfully-first-human-trial

Chung, Justin J., et al. "Toward biomimetic scaffolds for tissue engineering: 3D printing techniques in regenerative medicine." Frontiers in Bioengineering and Biotechnology 8 (2020): 586406.

作者：一颗 Yike

编辑：光影 | 排版：光影