1987年，美國發(fā)明家Chuck Hull成功制造了第一臺(tái)3D打印機(jī)，這是一種可以逐層擠壓材料的機(jī)器人，慢慢地將數(shù)字藍(lán)圖文件變成實(shí)物。在接下來的30年里，Hull和其他工程師不斷完善這一概念。如今，3D打印已經(jīng)成為現(xiàn)代設(shè)計(jì)和制造的核心技術(shù)之一，它非常適合創(chuàng)建一個(gè)或幾個(gè)復(fù)雜形狀的副本，比如產(chǎn)品原型。
定制的、復(fù)雜的形狀在生物學(xué)中也很常見，這讓許多生物醫(yī)學(xué)研究人員提出了是否有可能打印工作組織和器官的問題。從21世紀(jì)初使用噴墨打印機(jī)開始，生物打印先驅(qū)們已經(jīng)轉(zhuǎn)向3D打印，產(chǎn)生了越來越復(fù)雜的生物結(jié)構(gòu)。與此同時(shí)，細(xì)胞生物學(xué)家已經(jīng)改進(jìn)了制造誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC）的技術(shù)。
通過結(jié)合這兩種技術(shù)，未來的醫(yī)生可能會(huì)從患者的細(xì)胞中生物打印出替代組織和器官，從而消除尋找捐贈(zèng)者的需要和免疫排斥的風(fēng)險(xiǎn)。研究人員仍需解決一些棘手的問題，才能將生物打印技術(shù)應(yīng)用于臨床，特別是用于復(fù)雜的器官移植。但最近一系列發(fā)展以及相對(duì)便宜、用戶友好的生物打印機(jī)使這項(xiàng)技術(shù)比以往任何時(shí)候都更容易獲得。
類器官保持節(jié)拍
在一個(gè)典型的生物打印實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家們使用一個(gè)專門的3D打印機(jī)擠出由細(xì)胞外基質(zhì)材料或活細(xì)胞組成的生物墨水，打印機(jī)將3D計(jì)算機(jī)模型轉(zhuǎn)換成打印出來的形狀。位于馬薩諸塞州劍橋市的哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)教授Jennifer Lewis在建立自己的生物打印實(shí)驗(yàn)室時(shí)，首次采用了這種方法。
“我們最初的重點(diǎn)是通過完全打印所有東西來創(chuàng)造血管化的人體組織……建立起具有血管網(wǎng)絡(luò)的多細(xì)胞結(jié)構(gòu)。”Lewis說。將細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)打印在一起，使她的團(tuán)隊(duì)能夠精確地控制結(jié)構(gòu)。但Lewis意識(shí)到，這種技術(shù)無法在復(fù)雜器官中構(gòu)建最小的結(jié)構(gòu)。“（我們正在尋找的）那種1微米到10微米的尺度，即細(xì)胞本身的大小，僅靠生物打印是很難做到的。”她說。
與此同時(shí)，干細(xì)胞研究人員在培育類器官方面取得了重大進(jìn)展，這是一種由部分分化的干細(xì)胞自組裝的小型類器官結(jié)構(gòu)。Lewis決定將這兩種方法結(jié)合起來——使用3D打印來鋪設(shè)血管結(jié)構(gòu)，然后在其上植入受刺激的干細(xì)胞，以形成適合該器官的組織類型。
為了測試這種新方法，Lewis的團(tuán)隊(duì)將重點(diǎn)放在心臟組織上。心臟是生物打印概念驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的自然選擇。與其他一些復(fù)雜的器官相比，它們的細(xì)胞類型更少，并且為細(xì)胞是否正常運(yùn)作提供了清晰的直觀證據(jù)，因?yàn)樾募〖?xì)胞在形成工作組織后就會(huì)自發(fā)地開始跳動(dòng)。
利用混合打印方法，研究人員構(gòu)建了血管化心臟組織的復(fù)雜切片，并植入iPSCs，刺激其形成心臟細(xì)胞。然后，它們運(yùn)行起來了。“它們從基本的異步搏動(dòng)開始，每個(gè)單獨(dú)的類器官都以不同的速度搏動(dòng)；當(dāng)它們?nèi)诤显谝黄饡r(shí)開始跳動(dòng)，它們同步，然后整個(gè)組織同時(shí)收縮。”Lewis說。
雖然這一結(jié)果令人印象深刻，但Lewis警告稱，這離構(gòu)建功能性心臟還有幾步之遙。一個(gè)問題是，類器官還不成熟，其收縮比成人心臟的收縮要弱得多。制造一顆正常工作的心臟需要更多的后處理來增加組織的強(qiáng)度，并且需要更多的干細(xì)胞生物學(xué)的進(jìn)步來提升細(xì)胞的成熟度。它還需要打印一個(gè)完整的器官，這是Lewis目前不愿意做的事情。Lewis說：“我們故意不去做一個(gè)看起來像心臟的結(jié)構(gòu)。”她不想用一個(gè)完整但沒有功能的器官的圖像來制造虛假的希望。
修補(bǔ)破碎的心
盡管他們還沒有準(zhǔn)備好制造完整的心臟，但研究人員仍在探索將生物打印應(yīng)用于臨床的方法。以色列特拉維夫大學(xué)（Tel Aviv University）分子微生物學(xué)和生物技術(shù)教授Tal Dvir一直在復(fù)制病人的心臟血管。“我們開始用血管打印心臟貼片，最初所做的是查看病人的CT圖像，查看左心室的血管，也就是心室或需要替換的組織。”Dvir說。
盡管他強(qiáng)調(diào)該方法還遠(yuǎn)未準(zhǔn)備好用于人類，但Dvir的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成功地打印出了左心室的生物打印副本，并在其上植入了源自患者的iPSC。為了支持這些細(xì)胞，他使用了一種水凝膠，這種水凝膠也是根據(jù)患者自身的免疫狀況定制的，這樣在移植時(shí)就不會(huì)刺激免疫反應(yīng)。在最近的項(xiàng)目中，Dvir及其同事將這一過程擴(kuò)大到打印出完整的心形結(jié)構(gòu)。“我需要強(qiáng)調(diào)的是，這是一個(gè)非常基本的心臟，現(xiàn)在我們正在努力讓它更先進(jìn)一點(diǎn)——更成熟、有更多的血管。”Dvir說。
正如Lewis團(tuán)隊(duì)所做的那樣，Dvir的實(shí)驗(yàn)室正在努力解決iPSC衍生的心肌細(xì)胞相對(duì)薄弱的問題。除了加強(qiáng)生物打印的心肌，研究人員還在考慮如何使已完成的器官存活足夠長的時(shí)間以供移植。“當(dāng)你談?wù)撊绱撕駥?shí)且體積龐大的器官時(shí)，你無法在常規(guī)培養(yǎng)箱中正常培養(yǎng)這些細(xì)胞，因?yàn)檠鯕鉄o法滲透到組織中，大部分器官都會(huì)死亡。”Dvir說。他補(bǔ)充道，專門的生物反應(yīng)器必須提供類似于血液循環(huán)的東西來支持完整的器官。生物打印心臟還需要電子元件，比如起搏器和專門的信號(hào)細(xì)胞。
盡管他的實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)在打印的結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，但Dvir使用的是其他研究人員可以很容易獲得的現(xiàn)成設(shè)備和供應(yīng)品。他的生物打印機(jī)來自瑞士維拉—圣皮埃爾的regenHU公司的標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)。“最重要的不是打印機(jī)本身，而是用來打印細(xì)胞的生物材料。”Dvir說。他鼓勵(lì)那些想要進(jìn)入生物打印領(lǐng)域的科學(xué)家密切關(guān)注他們的生物墨水的特性，并選擇與他們想要?jiǎng)?chuàng)建的結(jié)構(gòu)兼容的材料。
打印制品和特性
就在幾年前，研究級(jí)生物打印機(jī)還是昂貴且挑剔的設(shè)備，只有資金最雄厚的實(shí)驗(yàn)室才能負(fù)擔(dān)得起。不過，現(xiàn)在有幾家公司提供了價(jià)格相對(duì)低廉、用戶友好且功能先進(jìn)的設(shè)備，比如Dvir使用的regenHU系統(tǒng)。
事實(shí)上，生物打印機(jī)的價(jià)格最近已經(jīng)暴跌。2016年，研究人員花20萬美元或更多的錢購買一臺(tái)生物打印機(jī)的情況并不少見。那一年，位于馬薩諸塞州波士頓的Cellink公司以5000美元的價(jià)格推出了一款入門級(jí)生物打印機(jī)。但有一個(gè)小問題：這個(gè)價(jià)格只適用于愿意并能夠合作開發(fā)該設(shè)備的實(shí)驗(yàn)室。“有了這些反饋，我們可以開發(fā)自己的旗艦系統(tǒng)，稱為Bio X，我們?cè)谑澜缟洗蟛糠值貐^(qū)的售價(jià)為39000美元。”該公司首席執(zhí)行官兼創(chuàng)始人Erik Gatenholm表示。Gatenholm補(bǔ)充說，Bio X現(xiàn)在是全球最暢銷的生物打印機(jī)。
雖然Bio X的價(jià)格是許多學(xué)術(shù)實(shí)驗(yàn)室和小型生物制藥初創(chuàng)公司能夠承受的水平，但Gatenholm表示，Bio X也具有多種功能且是用戶友好的。“你可以根據(jù)自己使用的材料來更換打印頭。”他說。不同的打印頭適用于熱塑性塑料、膠原蛋白、細(xì)胞和微小的液體液滴（如墨水）的打印。
Cellink公司對(duì)一些客戶使用該系統(tǒng)的方式感到驚喜。“你顯然想要解決最大的（生物打印）問題，那一定是心臟、腎臟和肝臟。但我們看到的一些非常酷的應(yīng)用已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，比如打印角膜。”Gatenholm說。這項(xiàng)研究是由英國紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)組織工程學(xué)教授Che Connon完成的，它可能最終為全世界約1500萬等待角膜移植的患者帶來新的治療方法。“人類角膜市場是一個(gè)價(jià)值10億美元的產(chǎn)業(yè)，但這不是我們通常談?wù)摰脑掝}。”Gatenholm說。
這種臨床突破的潛力促使制藥公司對(duì)生物打印產(chǎn)生了很大的興趣，但這項(xiàng)技術(shù)仍需掃除一些主要障礙才能應(yīng)用于患者。位于加州圣地亞哥的Organovo公司長期以來一直被視為臨床生物打印領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。然而，該公司去年8月宣布暫停其領(lǐng)先的肝臟生物打印項(xiàng)目和重組。
盡管去做
盡管有來自O(shè)rganovo公司的嚴(yán)峻消息，但在學(xué)術(shù)和工業(yè)實(shí)驗(yàn)室從事更基礎(chǔ)項(xiàng)目的研究人員繼續(xù)涌向生物打印。“我們從客戶那里看到了許多不同的應(yīng)用；人們從事著從食物到用于高通量藥物篩選的體外組織模型的各種工作。”賓夕法尼亞州費(fèi)城Allevi生命科學(xué)解決方案公司副總裁Taciana Pereira指出。
和Cellink公司一樣，Allevi公司專注于制造價(jià)格實(shí)惠、用戶友好的生物打印機(jī)。該公司提供四種型號(hào)，編號(hào)為1、2、3和6。“型號(hào)數(shù)字對(duì)應(yīng)于打印機(jī)上擠壓頭的數(shù)量。”Pereira解釋道。價(jià)格從2萬美元的基本款A(yù)llevi 1到10萬美元的頂級(jí)款A(yù)llevi 6。該公司還銷售一系列生物墨水和試劑。
“我們有一個(gè)非常易于使用的軟件，任何人都可以從登錄的第一分鐘開始打印。”Pereira表示，“用戶只需選擇他們想要打印的形狀，不必使用后端代碼就能從生物材料中得到他們想要的結(jié)構(gòu)。”高級(jí)用戶仍然可以深入研究代碼，以便對(duì)過程進(jìn)行更多的控制。無論他們的專業(yè)水平如何，大多數(shù)科學(xué)家都會(huì)喜歡諸如無線連接這樣的功能，這使得生物打印機(jī)可以放置在工作臺(tái)或安全柜中，而不需要使用額外的電纜。
計(jì)劃購買一臺(tái)Allevi公司打印機(jī)的調(diào)查人員應(yīng)該仔細(xì)考慮他們當(dāng)前和未來的需求，因?yàn)樵撓到y(tǒng)具有可更換的擠出頭，但僅限于系統(tǒng)上的原始打印頭數(shù)量。例如，單頭打印模式無法擴(kuò)展為雙頭打印模式，因此實(shí)驗(yàn)室要想實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的打印模式，就必須購買一臺(tái)新機(jī)器。Pereira解釋道，也就是說，公司愿意與現(xiàn)有客戶進(jìn)行談判，以降低升級(jí)成本。
隨著多家公司提供具有類似功能的生物打印機(jī)，研究人員應(yīng)該在購買之前貨比三家。“你要確保生物打印機(jī)既能打印簡單的結(jié)構(gòu)，也能打印復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，并在你獲得專業(yè)知識(shí)后進(jìn)入代碼。你還需要確保你選擇的公司能讓你做與工作最相關(guān)的事情。”Pereira說。
休斯敦，我們有一臺(tái)打印機(jī)
隨著商業(yè)制造的生物打印機(jī)在世界各地的實(shí)驗(yàn)室中變得越來越普遍，至少有一家公司已經(jīng)將其推向另一個(gè)前沿領(lǐng)域。2019年7月，生物制造設(shè)施（BFF）抵達(dá)國際空間站進(jìn)行安裝，并于8月開始在這臺(tái)軌道生物打印機(jī)上進(jìn)行首次實(shí)驗(yàn)。它標(biāo)志著十多年前開始的努力達(dá)到了真正的高潮。
在女兒出生時(shí)患有膈疝，需要切除一個(gè)肺后，激光工程師兼nScrypt公司首席執(zhí)行官Ken Church開始對(duì)生物打印器官感興趣。他很快意識(shí)到，這需要一個(gè)多學(xué)科的團(tuán)隊(duì)。“生物學(xué)家基本上擅長于……讓細(xì)胞保持活力，工程師們非常有創(chuàng)造力，但我們會(huì)殺死我們接觸到的一切。”Church說。通過多次設(shè)計(jì)迭代并與生物學(xué)家密切合作，nScrypt公司最終開發(fā)出可以生產(chǎn)復(fù)雜組織的生物打印機(jī)。
現(xiàn)在，他們正面臨其他人試圖構(gòu)建全尺寸器官所面臨的同樣問題。“我們可以很好地打印組織……但我們很難達(dá)到一定的厚度，因?yàn)閺U物無法排出，氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)無法進(jìn)入。”Church說。雖然像Lewis和Dvir這樣的生物學(xué)家正試圖通過在打印的器官中構(gòu)建內(nèi)部血管來解決這個(gè)問題，但Church說他的團(tuán)隊(duì)采取了不同的方法：“如果我們降低一點(diǎn)粘度，并讓這些細(xì)胞更自由地移動(dòng)，會(huì)怎么樣？”
重力會(huì)使粘性較小的結(jié)構(gòu)坍塌，所以nScrypt公司決定把他們的打印機(jī)帶到太空。為此，他們與位于印第安納州格林維爾的資深航空航天公司Techshot合作，該公司在準(zhǔn)備軌道有效載荷方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)。在美國國家航空航天局的微重力測試“vomit comet”飛機(jī)上進(jìn)行的初步實(shí)驗(yàn)表明，nScrypt打印機(jī)可以用低粘度矩陣生產(chǎn)心臟瓣膜。BFF使用的是同款打印機(jī)的一個(gè)版本，該打印機(jī)堅(jiān)固耐用，適合太空使用，Church對(duì)其潛力持樂觀態(tài)度。
使nScrypt生物打印機(jī)能夠在太空中“生存”的修改也使其適用于其他惡劣的環(huán)境。“與我們發(fā)射到太空的結(jié)構(gòu)一樣，我們與美國軍隊(duì)一起把它送到非洲。”Church說。自那以后，該系統(tǒng)就在那里打印了定制的浸有抗生素的繃帶。
不管他們正在進(jìn)行何種類型的生物打印，該領(lǐng)域的專家都對(duì)其未來持謹(jǐn)慎的樂觀態(tài)度。“生物打印領(lǐng)域正在發(fā)生許多令人興奮的事情；只要這個(gè)領(lǐng)域不過分自我吹噓，未來3~5年內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)真正的好東西。”Lewis說。■
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N. Noor et al.，Adv. Sci. 6，1900344 （2019）
M. A. Skylar-Scott et al.，Sci. Adv. 5，eaaw2459 （2019）
Alan Dove是馬薩諸塞州的科學(xué)作者和編輯。
鳴謝：“原文由美國科學(xué)促進(jìn)會(huì)（www.aaas.org）發(fā)布在2020年1月10日《科學(xué)》雜志”。官方英文版請(qǐng)見https://www.science.org/content/article/prints-pieces。