3D心臟是如何打印出來的？

張?zhí)锟?/p>

2019年4月15日，以色列特拉維夫大學(xué)分子微生物和生物技術(shù)學(xué)系的教授塔爾·德維爾（Tal Dvir）團(tuán)隊(duì)在綜合科技期刊《先進(jìn)科學(xué)》（Advanced Science）上刊文稱，他們成功用人體細(xì)胞制造出世界上首顆3D打印心臟。這顆3D打印人工心臟大約2厘米長(zhǎng)，和兔子的心臟大小差不多，看起來像個(gè)精致的小玩具。這顆心臟是貨真價(jià)實(shí)的人類心臟縮小版，不僅有心臟細(xì)胞，還有血管和其他支撐結(jié)構(gòu)，甚至能像真實(shí)的心臟一樣跳動(dòng)。

迄今，關(guān)于3D打印器官的研究結(jié)果屢屢公布，并被視為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重大科技成果，除了3D打印心臟外，還有3D打印的各種骨骼、腎臟、肺臟、耳朵、氣管支氣管、肝臟等。這些器官都已經(jīng)成形，而且，也有一定的功能，有些還進(jìn)入臨床試驗(yàn)治療，如骨骼。

首先需要更正的是，所謂的打印是比喻說法，與傳統(tǒng)的打印不是一回事。

3D打印技術(shù)最初是通過數(shù)字模型，利用金屬粉末材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體。后來，這種做法和說法逐漸被運(yùn)用到醫(yī)學(xué)上，如打印器官，也就是以干細(xì)胞為原材料，并供給干細(xì)胞生長(zhǎng)的環(huán)境和營(yíng)養(yǎng)，讓其按照特定模型一層一層地生長(zhǎng)或者立體生長(zhǎng)，實(shí)際上就是在人工環(huán)境下培養(yǎng)、培育和生長(zhǎng)出器官。

由于器官生長(zhǎng)是要按人體器官的模式來進(jìn)行，而人的器官都是立體的，即三維的，所以必須借用一定的技術(shù)來設(shè)計(jì)或畫出原形器官的大小、立體模式、其中的血管和神經(jīng)走向，以及器官中不同細(xì)胞和組織的比例和特定位置。

鑒于這樣的要求，打印器官需要多學(xué)科的理論和技術(shù)。除了干細(xì)胞分離和培養(yǎng)、組織工程技術(shù)外，還需要用電子計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）來測(cè)量受者（接受器官移植的人）原形器官的大小、其中的大血管的分布和走向。在通過CT測(cè)得原形器官的大小、立體體積和內(nèi)部結(jié)構(gòu)后，還需要借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD，Computer Aided Design）及其圖形設(shè)備來幫助研究人員進(jìn)行器官的智能設(shè)計(jì)或虛擬設(shè)計(jì)，也就是形成一個(gè)模型，相當(dāng)于建筑施工和機(jī)械生產(chǎn)中的圖紙。

有了這個(gè)三維模型，還要決定在實(shí)際打印（培育）器官時(shí)，要用什么樣的骨架支撐起器官的立體（三維）結(jié)構(gòu)和模式，然后讓干細(xì)胞沿著骨架和限定的模式生長(zhǎng)，最終長(zhǎng)出和原形器官一模一樣，或大部分相似于原形器官的有三維結(jié)構(gòu)的器官。

打?。ㄅ嘤┢鞴俚哪康漠?dāng)然是供器官移植。

這對(duì)中國(guó)尤為重要。因?yàn)?，中?guó)人捐贈(zèng)器官較少。中國(guó)百萬人口器官捐獻(xiàn)率僅為千分之一，可供移植的器官供需比例僅為1比30，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足患者需求。即便發(fā)達(dá)國(guó)家可供移植的器官供需比比中國(guó)高，如美國(guó)為1比4、英國(guó)為1比3，可供移植的器官也非常短缺。所以，無論是中國(guó)還是其他國(guó)家，打?。ㄅ嘤┢鞴僖呀?jīng)成為器官移植的一個(gè)發(fā)展方向。

現(xiàn)在的器官移植是同種異體器官移植，即把張三捐贈(zèng)的器官移植給李四（人的器官在甲乙之間進(jìn)行移植），用動(dòng)物器官如豬的器官移植給人則是異種異體移植，這種情況目前還沒有，但未來可能是一個(gè)方向。

同種異體器官移植最關(guān)鍵的問題是異體器官的免疫原性，會(huì)讓受者的免疫系統(tǒng)對(duì)供體器官產(chǎn)生排異反應(yīng)?，F(xiàn)在，如果能打印器官，而且要按受者的原形器官來培育，就會(huì)解決排異問題。因?yàn)槭褂玫母杉?xì)胞原料是受者自己的，生成的器官當(dāng)然會(huì)被自身免疫系統(tǒng)當(dāng)作自家人，不會(huì)遭到排斥，這也是為何器官打印受到特別關(guān)注的原因。如果成功，既能解決供體器官供不應(yīng)求的問題，還能解決自器官移植以來一直都不能解決的免疫排異問題，能讓器官移植和挽救人的生命攀上一個(gè)新的高度。

我們也應(yīng)該看到，雖然研究人員打印出了3D心臟，可它只有2厘米大小，并不足以供給患者進(jìn)行移植。雖然它能博動(dòng)，但并不能泵血，這又是心臟最重要的功能。由于沒有原有器官的功能，現(xiàn)在的這顆心臟只能算是迷你心臟或類心臟（類器官），不能算作是真正的器官。

這顆心臟尚不具備功能的原因有很多。一是現(xiàn)在3D模型并不能設(shè)計(jì)出心臟中所有的血管，這限制了心臟的功能。其次，心臟也需要接受神經(jīng)的支配，但是3D打印能否打印出支配心臟的神經(jīng)，似乎也還不明確。

這項(xiàng)研究的負(fù)責(zé)人德維爾稱，由于3D打印心臟太小，還需要在特定的生物反應(yīng)器中培養(yǎng)，就像早產(chǎn)兒需要放在新生兒培養(yǎng)箱中培養(yǎng)一樣，3D打印心臟也需要經(jīng)歷一個(gè)成熟的過程，并使它們生長(zhǎng)，長(zhǎng)成人類心臟大小的時(shí)候才可能使用。

這也說明，現(xiàn)在的3D打印心臟其實(shí)還是先天不足的。對(duì)于只有簡(jiǎn)單功能的器官，如各種骨骼，它們的功能只是起到支撐的作用，用3D打印出來后，成功率比較高，也開始應(yīng)用于臨床，例如，3D打印的下頜骨、顱骨、脊柱、骨盆等，都已經(jīng)進(jìn)入臨床使用。

2014年，北京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)使用3D打印技術(shù)制作了一根脊椎，并成功地植入一個(gè)12歲男孩體內(nèi)，是全球首例。同樣在2014年，中國(guó)西安的京西醫(yī)院研究團(tuán)隊(duì)采用3D打印技術(shù)打印顱骨，幫助一名半邊顱骨受傷凹陷的農(nóng)民重建了半個(gè)頭蓋骨。

對(duì)于有特殊功能的器官——心臟需要泵血、肝臟需要解毒和吸收轉(zhuǎn)化營(yíng)養(yǎng)——就需要打印出來的器官既要在形態(tài)上與原有的器官相同或相似，還需要有生物活性。這種生物活性體現(xiàn)為，能從血液中獲取營(yíng)養(yǎng)為其提供能量，以支持心肌細(xì)胞和肝細(xì)胞發(fā)揮功能，同時(shí)還要接受神經(jīng)系統(tǒng)的支配等?，F(xiàn)在看來，3D打印心臟還達(dá)不到馬上就能用的程度，原因也在于它們既沒有原形器官那樣的尺寸，也不具有原形器官的功能。

因此，3D打印心臟要達(dá)到實(shí)用還有很長(zhǎng)的路要走。其中，美國(guó)研究人員提出，如果要讓3D打印心臟有類似原形心臟的功能，就要對(duì)3D打印進(jìn)行更好的模型設(shè)計(jì)，例如模擬出心臟中的所有大小血管，可以采用把CT和3DTEE（3D經(jīng)食道超聲心動(dòng)圖）兩種技術(shù)結(jié)合起來建模的做法，從而獲得更小的分辨率，透視出心臟中的更多血管，并進(jìn)行更逼真的建模，讓打印出來的心臟或其他器官更有質(zhì)量。

當(dāng)然，也有研究人員樂觀地估計(jì)，3D打印心臟，以及其他具有復(fù)雜功能的器官如肝臟、腎臟等，可能在10年后進(jìn)入臨床醫(yī)療，不過，這需要未來研究人員的加倍努力，更需要時(shí)間和實(shí)踐來檢驗(yàn)。如果能成功，也就能讓器官移植不再局限于死亡者的供體器官，從而可以走出一條新的路徑，以拯救更多人的生命。