用胶原蛋白制作的人类气管面世 3D 打印或可解决器官短缺问题

上个月，一件模仿人类呼吸道上半部分的复制品正式面世——用胶原蛋白制作的人类气管以及两个支气管。胶原蛋白是组成人体必不可少的结合剂，它给予了这件复制品光滑的质地以及空心的结构，摸起来就像还没煮熟的意大利面。

这个气管的复制品出自于一台只有冰箱大小的 3D 打印机，由位于新罕布什尔州曼彻斯特的联合治疗公司（United Therapeutics）提供。联合治疗公司每年通过销售肺部治疗药物，营业额达到十亿美元之多。

最近，公司声称将用类似的打印机生产“无限量多”的人肺以解决现今捐献器官的严重短缺问题。

生物打印并不是什么新鲜事。我们知道，3-D 打印机已经能够制造人类的皮肤、视网膜等。不过这个技术目前只适用于制造那些尺寸非常小、轻薄而且没有血管的组织细胞。为了突破这个限制，联合治疗公司决定在未来几年，专注研发一款能够生产更高质量人肺的打印机——它能打印出牢固而有弹性且细节突出的人肺替代品，包括气道所有的 23 条分支、能够交换气体的肺泡和极其细致的毛细血管网络。

图 | 3D Systems 的科学家们打印出模仿肺部的气管结构

在公司看来，一开头提到的用胶原蛋白做的人肺替代品根本不算什么，因为这就好比一只橡胶做的玩具鸡和一只真正母鸡是无法相提并论的。因此，联合治疗公司计划让器官复制品浸润在人类细胞基质中，从而使人类细胞附着和渗透在器官里，让器官“活”起来。来自产品研发的一位项目负责人 Derek Morris 说，他们正在尝试建造一个小型粘附室，让细胞能在里面发育生长。

器官制造大亨

这次的 3-D 打印项目是公司 CEO Martine Rothblatt 发起的一系列投资巨大的工程项目之一。她曾经是天狼星卫星广播公司的创始人，不过在上世纪九十年代因女儿被诊断出一种罕见的肺部疾病而改变了工作。

创建联合治疗公司之时，Rothblatt 将赌注放在一款已不被人看好的价值 25000 美元的药物，使她成为去年生物制药产业收入最高的 CEO。同时，她也创下了电动直升机的最快操作纪录，她还说，未来当病人需要她公司生产的器官时，电动直升机就能将产品送达。

联合治疗公司一直都冒险走在这个产业的前沿。旗下的 Revivicor 子公司就已向手术实验领域供应过来自转基因猪的心脏、肾脏以及肺（目前只被用在狒狒身上）。另一家名叫肺部生物工程 (Lung Bioengineering）的子公司将别人捐献的肺进行“整修”，通过向这些本来要丢弃的肺中加入温度适宜的溶液，这些肺已经被 250 名肺疾病患者重新利用。

图 | 联合治疗公司 CEO Martine Rothblatt

尽管如此，Rothblatt 承认，想要打印出完全和人肺一模一样的替代品至少还需要 12 年的时间。不过，联合治疗公司在打印完整的器官这一产业里是规模最大的一家。去年，南卡罗来纳州的一家名叫 3D 系统的公司（3D Systems）被收购；另一家名叫 3Scan 的公司也被纳入囊中，他们将仔细研究人肺的切片，并制造出完整的人肺内部的结构图。

联合治疗公司的器官生产部门位于 BioFabUSA 公司（由美国国防部管理、价值 8000 万美元的打印组织细胞的企业）的旧纺织厂。作为 BioFabUSA 的高管和重要投资人，Dean Kamen 说，与 Rothblatt 的会面促使他做出了向政府申请管理 BioFabUSA 的决定。此次会面让他看到了 Rothblatt 公司的巨大潜力，同时也看到当今的生物打印仪器是多么的匮乏。

3-D 打印技术概览

如今这款使用胶原蛋白的 3D 打印系统依照光造形术（stereolithography）的原理来工作。当紫外线扫过一整堆参杂感光分子（photosensitive molecules）的胶原蛋白时，胶原蛋白就会固化。渐渐地，先做好的一层材料位置就被降低、放到底层，新的一层又在此基础上继续被制造出来。

据公司介绍，这款打印机能够打印出分辨度为 20 微米的胶原蛋白。但是想要打印出具备很多细节的肺，即使是微米级别的精度也不够。

据来自 3D Systems 公司的生物打印部门负责人 Pedro Mendoza 评论说，肺部结构十分复杂，无论用机器制作还是用模具浇筑都比不上 3D 打印技术的精细度。她还补充说，公司决定从半导体产业挖掘思路，比如光掩膜、反射镜和功能更强大的射线等等都能帮助提高打印机的产品的分辨率。目前的打印技术速度也欠佳，打印整个肺的支架结构可能需要一整年的时间。

生物打印技术的其他应用

一些生物打印的组织几乎可被用到医疗领域。最近，来自西班牙的一个研究团队打印出他们认为能够为烧伤病人所用的皮肤替代品。不过，现今打印出的组织只有纸那么薄，因为其中没有血管。面积再大一点的组织有可能还会提早衰亡。

虽然有些研究者已经打印出活体血管的原型，不过这些都还是处于非常初级的阶段。美国 NASA 提出要奖励首位打印出有一厘米厚活体组织的科学家（30 万美元），但是到目前为止，获奖人依旧没出现，更别提打印出重达三磅的肺将会面临多少困难和挑战。

Sharon Presnell 来自加州的 Organovo 公司，这家公司主要负责打印又薄又有弹性的肝切片。他说，好多公司都忙着打印出完整的器官，但谈论这些可能都为时尚早了。“我们去哪里找到能够打印出如此大的脉管系统（vasculature）的材料呢？这个材料又能承受多大的压力呢？”Presnell 阐述了他的疑惑。

怎么把细胞加到打印好的模型中？

在说到如何使模型活起来时，联合治疗公司认为当前的压制技术还有很多问题。这种压制技术（extrusion methods）试图将细胞和蛋白质通过非常细的针挤压到打印好的模型中。器官生产部的负责人、生物工程师 Luis Alvarez 评价说，这就像把充满水的气球推进一根吸管一样那么难——细胞的尺寸很明显限制了打印的分辨率。

因此，他们决定先将肺的支架结构打印好，然后把它和人体细胞相结合。这个过程又被叫做再细胞化。其实在早些时候，有团队就发现胶原蛋白做的模型其实能被转换成真正工作的肺。今年，哈佛大学实验外科医生 Harald Ott（联合治疗公司资助了一部分）向外界宣称，他将几十亿来自脐带和肺切片的人类细胞注入到了已失去自身细胞的猪的肺部。当这个经过整修的肺与猪的循环系统相连时，他们发现，肺的基本功能已经恢复。不过这个实验只持续了一个小时。

波士顿大学的干细胞生物学家 Finn Hawkins 认为，在这次试验中，血液循环和气体交换已经成为可能了。但是，想要成功移植器官还有很长的路要走。首先，Ott 的实验里缺少了重要的几种细胞，包括能够帮助排出痰的波状纤毛；其次，我们不知道去哪里找大量的人体细胞以支撑整个器官打印行业。目前，已去世的人捐献的肺也无法满足这一需求。

联合治疗公司打算用干细胞大量生产试验所需的组织，但是他们承认，这也不是一件容易的事。

对新器官的憧憬

如果器官都能大批量生产出来的话，这不仅仅能解决器官短缺的问题，也许还会延长人类的寿命。想象一下，八十岁的你重新换了一个心脏或肺会怎么样呢？

为了实现这个目标，联合治疗公司也许应该一步一步完善技术，而不是试图包揽一切。但是 Alvarez 认为，公司还是决定要同时发展 3D 支架打印、再细胞化以及用干细胞生产肺组织的技术，因为未来这些技术可能会走到一起。他说：“当我们把肺最精细的一部分打印出来以后，我们就知道如何再细胞化了。”

原文：Inside the effort to print lungs and breathe life into them with stem cells