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换脸、换脑子、卖肾,3D打印器官的现实需求?

发布日期:2019-06-12

  大家好,我是来自上普的赵雨,今天跟大家聊一聊器官打印这个话题。

  我本来想做一个套路的报告,先讲一下全球面临的器官短缺的问题,然后隆重地推出这项革命性的技术,最后再向大家展示广阔的应用前景和未来,我想这应该就是一个很完美的报告了,但是打脸来得永远都是那么快。

  当我和我的小伙伴们交流科普报告应不应该这样讲时,他们竟然说不听不听王八念经,谁不知道器官打印就是直接打印出器官,我不想知道器官到底是怎么打印出来的,我就想知道我什么时候能用上器官打印来满足我的三大需求。

  我是万万没想到他们的三大需求是这样的:

  第一大需求是换脸。

  爱美之心人皆有之,每个人都希望自己变得更帅或者更美一点,我老婆首先没有想把她自己换个脸,而是希望把我的脸换成很多男明星的脸,其中一个就是吴彦祖,大家可以看到虽然我和他近似度已经到了百分之九十九,但是我的家庭地位决定了我还要为了这百分之一继续科研努力。

  第二大需求是换脑子。

  现在的生活压力越来越大,节奏越来越快,很多小伙伴一直在吐槽自己的脑子不够用,是不是长了一个假脑子,如果能换一个脑子就更好了。

  第三大需求就是人尽皆知的卖肾。

  大千世界无奇不有,我们想买的东西特别多,其实对于我们男士永远清不空的一定是老婆的购物车,如果我们多有几个肾该有多好。

  这些看似是一些无稽之谈,但仔细看会发现这三个需求其实反映了年轻人对美好生活的向往和追求,这三点恰恰反映了他们对美貌、智慧、金钱的追求,我才发现器官打印未来最大的市场可能并不是给病人用,而是实现我们年轻人的梦想。

  器官打印这个词听起来其实非常硬核,为什么就被这些小伙伴们给玩坏了呢?我觉得最大的原因就是因为这个词很容易理解,一看就知道是用打印机打印器官,很容易脑补出画面,即使大家的脑洞不足也可以通过科幻电影可视化地实现这个场景。

  比如吴宇森导演的《变脸》,这个电影其中就有耳朵打印的画面,可以看到是一层一层打印出来的,和今天真正的器官打印已经非常接近的了,更可怕的是这个电影诞生于 1997 年,当时还完全没有器官打印技术。

  我们再看一部不这么暴露年龄的电影,《复仇者联盟》第二部里有一个非常牛叉的英雄幻视,他当时打飞了大 boss,其实幻视是完全由生物 3D 打印制造出来的超级英雄。

  电影中的 3D 打印非常炫酷,现实中的器官打印是什么样的?

  我想通过一个故事来跟大家分享一下,是我第一次做器官打印报告的故事。

  大概 10 年前我刚刚推博,老师让我给同学们分享我未来要从事的器官打印研究,我当时其实也不知道器官打印研究什么,就兴冲冲地跑到了实验室找老师要了一个 PPT,让我印象特别深的是一张图片,它的注释竟然写着这是一个打印的肝组织,当时看到这幅图心里想的是,这是什么鬼啊?这个东西是一个半生不熟的肝吗?

图 | 一个打印的肝组织(来源:清华大学生物制造中心)

  为什么这个结构看似很奇怪的东西能称为一个肝组织呢?后来我通过学习得知其实它跟人体的组织有很多近似性,它有跟人体组织很接近的细胞外基质、血管,有跟人体肝脏接近的肝功能的分泌和表达,而这个结果诞生于十多年前,其实在当时是一个非常高水平的结果了。

  细胞打印诞生于本世纪初,由几位科学家通过不同的器官打印原理实现了这个开创性的研究,但是从我们今天的角度来看这些科学家们的做法其实是非常野的,用家用喷墨打印机直接打印细胞或者用注射器挤压细胞或者用激光烧细胞,看起来都是非常暴力的手段,但是他们最终成功了,将这些东西堆积出了一个三维的细胞结构并可以培养出功能。

  这些看似暴力和简单的打印过程其实里面充满了很多的科学难点和工程难点,其中就包括怎样把通常叫生物墨水的含细胞的材料打印出来,打印之后会不会形成一个三维的结构,形成了这个结构之后细胞是否还能在里面存活,存活之后是否能把它培养成一个有功能的组织,而有功能的组织又不能称为是器官。

  其实构建出有功能的器官非常困难,要想构建出一个非常好的器官必须解决以下五大难点:有很好的材料来支持这个器官的生长,有很好的细胞来满足打印,还要有很好的构建工具而且是要自动化的我们总不能用手来盘出一个心脏或者盘出一个肾脏吧,然后要给它丰富的血管网络保证后期合适的培养环境能培养出这个器官。

  经过大约 10 年的沉寂期后,细胞打印终于迎来了它的现代成长期,非常可怕的是近 5 年发表了过去大概 90% 的学术文章成果,近 2 年发表了过去 50% 的学术文章成果,科学家们不再简简单单地关注打印后的细胞是不是活的,更关注打印之后的结构有没有功能。

  在这个时期我们的合作伙伴协和医院毛一雷主任打印了一个功能性更强的肝组织,一般肝衰小鼠的寿命只有 28 天,而他把打印的结构植入到这个小鼠之后寿命延长到了 60 天,整整延长了一倍多。

  打印有功能的组织不仅仅可以用在人体的再生修复,还可以用于更有意义的研究。《我不是药神》里为什么成本只有几十元的格列宁要卖到几万元?真的是药厂黑心吗?其实药物研发的过程非常漫长,要经过药物发现、临床前的实验、临床后的实验,然后才能获得 FDA 的认证。据统计这个过程大概需要 10 到 15 年,成本是 25 亿美金。

  之所以成本这么高周期这么长其实有一个很大的原因就是临床前的模型不是很准确,现在用的临床前的模型是二维的模型和动物的模型,二维的模型跟人体的三维结构不一样,它的功能表达是不一样的;动物的模型用的是动物的细胞,免疫系统也是不一样的自然就不准确的。

  那有没有一个更好的模型呢?我相信大家都已经猜到了,就是用生物 3D 打印的方法打印一个三维的模型来帮助进行临床前的药检和研发。

  我们公司的首席科学家孙伟教授曾在美国帮助 NASA 做过一个太空药检的项目,当时 NASA 有一种宇航员防辐射的药,他们想知道这个药经过肝代谢之后新的成分会不会在失重的情况下对宇航员的第二器官造成损伤,然后我们就打印了一个多器官的模型来实现药物检测。

图 | 宇航员防辐射药毒性检测芯片(来源:清华大学孙伟教授)

  我认为普通的药检并不能发挥 3D 打印巨大的作用,它未来的巨大的作用肯定是用在个性化的医疗。大家平时吃药的时候每个成年人的药剂都一样,只是对儿童减半,其实这非常不合理,你想象一下一个 200 斤的人和一个 90 斤的人怎么应该吃同样的剂量呢?

  对于普通的病可以多试几种治疗方案,但对于一个肿瘤患者,他没有时间等待做各种治疗,利用生物 3D 打印技术就可以直接用病人的肿瘤细胞在体外构建出很多模型,来帮助发现哪一种药物更有效。

  我们实验室已经做了很多相关的临床上的科学研究,并且有不错的效果,希望能早日用在病人的身上,未来我们不仅仅可以做肿瘤药物的药检,人体每一个微器官都可以构建出来做不同的药检,包括一些过敏的测试,最重要的是对每个人的结果都是不一样的,个性化的精准的治疗。

  器官打印到底离我们有多远?

  2009 年美国国家科学基金会做了一个预测,当时的预测是 2 到 3 年实现细胞和支架的打印,5 年左右时间实现病药理模型的打印,这些都已经实现了,10 年时间实现功能组织打印,今年也是恰好它公布的第 10 年,已经是 2019 年了到底有没有实现呢?

就在上周 Science 封面文章重磅发表了一个关于 3D 打印工程化血管网络的文章,其中有一个非常重要的应用就是封面上应用,打印了一个类似于肺的结构,有类似于呼吸的器官功能,画面冲击力非常强,令人非常震撼。

同样在上一个月,以色列的科学家直接在全球首次 3D 打印出了一个完整的心脏,可以看出这个心脏结构跟人体的心脏结构非常相似,而且它打印的薄层组织还可以有像类似于心脏一样的跳动。

  令专业学者更为兴奋的是它的细胞和材料的来源,下图红色区域的材料和细胞都是来源于人体类似于腹膜的组织,意味着未来的心脏病人可以从自己不重要的器官比如腹膜中,直接把他腹膜提取出来分别分离出细胞和材料,把细胞变成心脏的细胞,直接打印出他的心脏。这其实很大地解决了器官的细胞和材料的来源问题,是一个非常充满想象的研究工作。

  这两个结果都非常令人兴奋,但是它到底能不能称为器官打印呢?为什么我们还要把它称为功能组织的研究呢?其实刚才大家看到的肺里是没有细胞的,心脏跳动的也只是它一个片层的组织,整个心脏还是没办法跳动。

  器官打印的这五大难点还是没有被完全解决,但是我们离它已经越来越近了,根据 09 年这份预测我们还需要 5 年实现器官打印。过去的 5 年生物 3D 打印发表的成果是占过去 15 年的 90%,为什么我们不能相信未来 5 年还会把我们这个成果再翻十倍,实现器官打印呢?

  器官打印实际是一个非常大的交叉学科,这几年的快速发展离不开各种科学家的合作,最开始只有我们搞制造的机械的学家,后续不断的有生物学家、材料学家、医生、企业家的加入,所以这 5 年它迎来了蓬勃发展。

  我们上普公司也是其实在用另一种形式在做对这个行业的贡献,我们在开发性价比很高同时它又很智能化很易用的一个 3D 打印机我们希望它能在未来用在每一个生物学实验室里,开展三维的生物学研究,它不仅仅可以做器官打印,因为我们人体就是三维的,它可以开展很多生理的、病理的、药理的研究。

  我坚信在我们年轻人这代一定可以等到在手术室里有器官 3D 打印的那天,因为我们不是在为别人的梦想在奋斗,而是在为我们自己的梦想在奋斗,大家还记得我之前提到的梦想是什么吗?我们年轻人的梦想就是智慧、美貌、金钱并存,我是十年后要变成吴彦祖的赵雨,谢谢大家!

来源:DeepTech深科技

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