為了解決全世界危重病人器官移植短缺的問題，一些研究人員正着手開發3D打印活體組織的技術。不過，他們可能需要進入地球軌道才能實現這一目標。安德魯·摩根是美國陸軍的戰地醫生，見識過許多對人類而言相當慘烈的事情。他治療過在爆炸中受傷的年輕士兵，“有些人在爆炸中失去了肢體，或者身受重傷”。
奇迹！3D打印會“呼吸”的人造器官
來源：BBC
作者：Josh Sims
翻譯：任天
我們可能需要進入地球軌道才能實現3D打印活體組織的目標
在親眼目睹了緩慢的癒合和恢復過程之後，摩根開始思考，新的組織甚至整個器官是否可以簡單地打印出來，以替換受傷的身體部位？如果能夠移植由受傷者自身細胞生成的組織，那無疑將大有裨益。
摩根同時也是美國國家航空航天局的宇航員。按照上述想法，他在2020年花了幾個月時間在外太空進行了一系列不尋常的實驗。2020年4月，摩根在國際空間站（ISS）生活了272天後返回地球。在距地球表面400公里的軌道上，他利用3D打印機和生物墨水生成了由一個個細胞組成的活組織。
“這就像在家裡更換打印機墨盒一樣，”摩根在談到他使用的設備時說，“你放入墨盒，讓培養組織發育，然後取出組織盒進行分析。”一切到目前為止似乎都很簡單，但摩根和他的宇航員同事克里斯蒂娜·科赫之所以選擇在軌道上做這些實驗，其實是有原因的。
“當你在地面上3D打印培養組織時，受到重力作用，它們會有坍塌的趨勢，”摩根說，“這些組織需要某種（臨時、有機的）支架來固定一切，特別是像心房心室這樣的腔室。但在微重力環境中，它們不會受到這些影響，這就是為什麼這些實驗如此有價值的原因。”
安德魯·摩根在國際空間站進行的實驗表明，器官可以在低重力環境下打印
國際空間站的微重力環境非常適合測試“生物製造設備”，這台設備於2019年發射進入軌道，其目標是將人類細胞打印成器官形狀的組織，預計將在2021年進行升級。一開始，摩根嘗試用它來打印厚度不斷增加的心臟樣組織，但這項技術背後的團隊希望對設備加以改進，以最終在太空中打印出完整的人體器官，用於器官移植。
從簡單到複雜
事實上，打印人體器官並不像聽起來那麼匪夷所思。許多生物技術公司都在研究相關的方法，以最終利用病人自己的細胞來生成新的組織。大多數研究者採用的是10年前獲得諾貝爾獎的一種方法，對細胞進行重編碼，使其轉化為幹細胞；理論上，幹細胞可以發育成人體的任何組織。給予適當的營養和培養條件，這些幹細胞可以被誘導發育為特定的細胞類型。研究者通常將幹細胞懸浮在一個水凝膠支架中，使不斷生長的結構不致坍塌，所需的細胞類型就可以一層一層地打印成有功能的活體組織。
Cellink是第一家將生物墨水商業化的公司，其首席科學家伊特代爾·蕾德萬解釋道：“我們已經生產出了能成功移植回動物體的組織，比如皮膚移植物。最近，我們正在研究激光輔助打印技術，以打印非常小尺度的毛細血管或其他血管組織。這種微小尺度的打印技術至關重要，但更重要的一步是將這種組織植入人體。”
據估計，用這種方法打印出來的全功能組織和器官要移植到人體還需要10到15年的時間。科學家已經證明，3D打印基礎組織甚至迷你器官是可能的。2018年，英國紐卡斯爾大學的一個團隊打印出了第一個人類角膜，而以色列特拉維夫大學的研究團隊利用一名心臟病患者的人體組織，打印出了一個微型心臟，他們認為這可以用於設計“心臟補丁”，以修復心臟的受損部位。後來，美國密歇根州立大學的科學家更進一步，利用模擬胎兒發育環境的幹細胞框架，打印出了一顆迷你人類心臟，這使人工創造出功能正常、具有所有必要細胞類型和複雜結構的心臟成為可能。
不過，心臟只是一個相對簡單的“泵”，由一系列被肌肉組織包圍的腔室組成。有研究者已經在構建更複雜的器官和組織結構方面取得了進展，一個研究小組已經將神經細胞整合到已打印的肌肉中，這是在未來移植中恢復肌肉控制和功能的關鍵一步。
然而，構建完整的複雜器官，如肝臟和腎臟，是一個更大的挑戰。這些器官混合了多種細胞類型，布滿了血管和神經網絡。
哈佛大學的仿生工程學教授詹妮弗·劉易斯進行過組織打印的實驗，但她對仍需克服的障礙持謹慎態度。再造一個器官的完整功能——例如心臟活動的同步性或腎臟的過濾功能——並沒有人們想象的那麼簡單，複製器官發生（organogenesis）過程將是很重要的一步，在這一過程中，人體組織和器官的多細胞結構在胚胎中形成並發展出不同的功能。
“例如，我們發現，與在體內形成的組織相比，實驗室中形成的組織在功能上往往不夠成熟，”詹妮弗·劉易斯說，“在科幻電影中可能很容易就做到了這一點，但對我們來說這是一個夢想。不過，未來幾十年內，我們或許能看到這一夢想成為現實。”
打印可供移植的器官
從科學的角度來看，你也可以對有特定缺陷的心臟進行生物工程改造，來測試新的治療手段。在短期內，打印器官將有助於在實驗室內更有效地模擬疾病並幫助藥物開發。這反過來也會有助於減少動物試驗。從中期來看，當完整器官可以打印出來時，我們所面臨的挑戰可能會變成如何滿足需求。目前，世界範圍內供體器官嚴重短缺，難以滿足需要移植器官的病人的需求。
目前全世界大約有100萬人在等待腎臟移植。據世界衛生組織估計，每年大約有13萬例器官移植手術，但這隻滿足了移植需求的10%，能夠為這些人提供器官本身就會意義重大。
那些有幸接受供體器官移植的人還必須在餘生中服用免疫抑製藥物，以阻止他們的身體對這些“外來”器官產生排斥。但是，如果移植的新器官是用患者自己的細胞打印出來的話，排異的風險應該就會大大降低。
這些需求和潛在的利益使得在太空中打印器官變得更有價值，即使需要投入巨大的成本。在太空中打印器官並不便宜。國際空間站的生物製造設備耗資700萬美元，這還沒算上將細胞和其他原材料送入軌道，再將器官安全帶回地球的成本。在太空中進行大規模打印也十分困難。於是，一些人開始研究是否可以在地球上複製軌道上的低重力環境，以培育出複雜而脆弱的器官。例如，俄羅斯“3D生物打印解決方案”（3D biopprinting Solutions）公司就生產了一個系統，利用磁場使組織懸浮起來，從而形成所需的結構。
科學家們還必須想辦法讓打印出來的器官具有正常工作的血管和神經末梢。但在此之前，國際空間站的生物製造設施或許還可以進一步發掘其打印人體組織的潛力，滿足工業和機構客戶的需求。一些人，比如Techshot公司的首席科學家吉恩·博蘭德，已經在設想有朝一日——可能是在本世紀30年代或40年代——在近地軌道上建立生物打印設施，利用微重力環境打印更複雜的人體組織，也許還能賦予其更先進的功能。
對於其他人而言，他們在推動移植技術革命的發展時或許還帶着某種非常個人化的追求。
“我的女兒出生時只有一個肺，”NScrypt公司首席執行官肯•丘奇說，“她27歲了，現在情況良好，但仍然只有一個肺。不過，這也讓我開始研究組織工程——那時生物打印還不存在——並且被這個概念迷住了。”NScrypt公司幫助開發了安德魯•摩根在國際空間站上使用的生物打印機。
目前NScrypt公司正在開發下一代生物打印機。這是一種生物反應器，不是利用低重力環境來防止打印出來的組織出現中心壞死，而是採用了其他方法，如旋轉、搖晃，或是在組織生長時注入氧氣。“如果我能在我女兒的有生之年為她培育出一個肺，我會感到非常激動，”丘奇說道。
科學家正在嘗試的一種方法是讓組織在磁場中懸浮生長
當然，人們總是很容易被按需打印器官的前景吸引，但我們還需要思考其他一些重要的問題。畢竟，打印人體器官的成功將會對人類社會產生深遠的影響，尤其是在提高平均壽命方面。心血管疾病是目前大多數西方人死亡的主要原因，據估計有三分之一的人死於心血管疾病。對於心血管疾病患者來說，用更年輕、更健康的心臟替換原有心臟可能會延長几十年的壽命。不過，似乎並不是所有人都對這個想法感到滿意。
“我們收到了投訴，有一封電子郵件稱我們是‘邪惡的化身’，”BioLife4D公司的莫里斯說，“他們認為，通過打印器官來延長生命是不對的，因為資源的稀缺已經導致了如此多的痛苦，生命的延長只會增加這種痛苦。”
還有其他潛在的道德問題需要解決。“如果一些父母要求給他們12歲的孩子換一個更大的心臟，使心跳更有力，效率更高，這樣他就能成為學校里的明星運動員，那該怎麼辦？”莫如果我們可以打印一個有兩個瓣膜的心臟，那為什麼不打印一個額外內置兩個瓣膜的心臟呢？如果進化沒有給我們提供一個帶有額外瓣膜的心臟，我們或許就不應該這麼做。但如果你無論如何都要更換一個器官，我不會反對用一個在某些方面有所改進的器官來替代它。”
考慮到打印器官的高昂成本——尤其是在軌道上打印出來的器官——如果能打造出在某種程度上經過強化的心臟或肺等器官，或許就能吸引一些人來為這些技術付費。
“這將是一個非常有爭議的問題，”BioLife4D公司的組織工程師拉維·波拉說，“如果你從一個器官到另一個器官，逐漸改變一個人的一切，那或許可以說，留下來的並不是出生時的那個人，而是某種別的生物。”
雖然目前的焦點是使用打印器官來進行拯救生命的手術，但不可避免地也會有人將其與整容手術進行比較。現在的問題是如何在這兩者之間劃分界限，很容易看出，人們可能會將選擇強化器官等同為在運動中使用提高成績的藥物——大多數人可能反對這麼做，但這些藥物仍然在使用，仍然在商業化。
也許器官打印最引人注目的用途根本就不會出現在地球上。隨着人類開始深入太空，先是重返月球，再登陸火星，屆時生物打印或許將成為一個維持生命的重要工具。在離地球數百萬公里的地方，肯定找不到多少器官捐獻者，而其他東西也會短缺，比如食物，此時生物打印就有了用武之地。
“這是器官打印最前沿的可能性，”吉恩·博蘭德說。Techshot公司已為在國際空間站上安裝生物打印機提供了部分資金，並在宇航員安德魯·摩根的協助下完成了一些遠程操作實驗。該公司目前已經與空間站公司Axiom Space簽署了一項協議，將在國際空間站上安裝首台商用生物打印機。
“最後，生物打印對深空探索也很重要，包括打印動物細胞作為食物，或者在醫療緊急情況下打印人體組織，”博蘭德說，“與此同時，國際空間站上的這些實驗將解開生物打印的一些秘密，使這項技術能首先在地球上應用。這是真正的飛躍時刻。”