生物打印

你知道嗎？3D打印人體器官的最佳地點(diǎn)其實(shí)是在太空。2019年，科學(xué)家為國(guó)際空間站開發(fā)了一臺(tái)“3D生物制造設(shè)備”（3D BioFabrication Facility，簡(jiǎn)稱BFF）。這是世界上第一臺(tái)能夠在太空中制造人體組織的3D打印機(jī)，于2019年7月搭載SpaceX公司的貨運(yùn)飛船到達(dá)國(guó)際空間站。在無重力條件下打印人體組織聽起來很酷，但科學(xué)家們?yōu)槭裁磿?huì)做這樣的嘗試呢？

我們的身體有78個(gè)器官，它們和諧地工作，使我們每一天、每一年都能維持正常的生理功能。然而，總是會(huì)有那么一天，我們的某個(gè)身體組件可能會(huì)失靈或損壞，無法再保持健康的狀態(tài)。我們有時(shí)可以通過藥物或手術(shù)來修復(fù)，有時(shí)則無法保留原有的器官，更換便成為唯一的解決方案。這些受損或功能失調(diào)的器官會(huì)被捐獻(xiàn)者提供的健康器官所取代。

然而，一個(gè)可悲的事實(shí)是，有太多的病人需要器官，而沒有足夠的器官捐贈(zèng)者。器官短缺是一個(gè)世界性的大問題。僅在美國(guó)，就有超過10萬人在等待器官移植。即使有可用的器官，供者的血型也可能與受者的血型不匹配。這是一個(gè)絕對(duì)必要的條件，因?yàn)檠筒黄ヅ鋵?duì)接受移植者來說可能是致命的。更糟糕的是，有時(shí)器官可能在運(yùn)輸途中丟失，或不能及時(shí)送到預(yù)期患者手中。

為了解決這些非常現(xiàn)實(shí)的問題，科學(xué)家正在嘗試3D打印生物組織。

打印活組織

生物打印是3D打印技術(shù)的形式之一，更確切地說，便是打印活組織。生物墨水由干細(xì)胞和供其生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)組成，在打印時(shí)被一層又一層地添加到支架上。為什么用干細(xì)胞？因?yàn)樗鼈兛梢宰兂扇我忸愋偷募?xì)胞。在生物打印過程完成后，器官將被放置在生物反應(yīng)器中，在那里進(jìn)一步成熟，形成一個(gè)功能正常的器官。

在《碟中諜》系列電影中，IMF小組也使用了同樣的技術(shù)來打印面罩。但事實(shí)上，這項(xiàng)技術(shù)還沒有電影中呈現(xiàn)的那么先進(jìn)。

生活在地球上的所有生命都受到重力的作用，無論你是像藍(lán)鯨一樣大，還是像病毒粒子一樣小，重力的影響無處不在。這種影響甚至可以到達(dá)細(xì)胞水平。對(duì)細(xì)胞而言，重力其實(shí)非常重要，因?yàn)樗笇?dǎo)著氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的流動(dòng)和分配。

不過，地球的重力也給生物打印帶來了兩個(gè)問題。

首先，重力使細(xì)胞層變平。在組織培養(yǎng)設(shè)備中，細(xì)胞通常在組織培養(yǎng)瓶中培養(yǎng)。這些瓶子里裝滿了營(yíng)養(yǎng)豐富、供細(xì)胞生長(zhǎng)所用的液體培養(yǎng)基，使科學(xué)家可以在沒有動(dòng)物倫理問題的情況下進(jìn)行生命實(shí)驗(yàn)。然而，這些燒瓶中的細(xì)胞會(huì)在容器底部形成扁平層。在細(xì)胞和組織生長(zhǎng)的過程中，重力會(huì)使它們壓縮，迫使它們?cè)賹盈B形成扁平的二維層。這并不是器官自然發(fā)育的方式。

在體內(nèi)，生物組織的形成是三維的。即將成為器官的特定細(xì)胞會(huì)受到人體獨(dú)特環(huán)境的引導(dǎo)，這種獨(dú)特環(huán)境，便是一個(gè)被稱為“細(xì)胞外基質(zhì)”的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)網(wǎng)。隨著這個(gè)基質(zhì)的形成，器官的其他細(xì)胞也會(huì)生長(zhǎng)和成熟;而在器官發(fā)育的過程中，這個(gè)基質(zhì)會(huì)把所有的東西固定在一起。然而，在塑料培養(yǎng)容器內(nèi)，沒有體內(nèi)的多種相互作用，細(xì)胞無法形成功能齊全、結(jié)構(gòu)相似的器官。

這就引出了第二個(gè)問題。

“腳手架”的重要性

生物打印需要支架。在沒有細(xì)胞外基質(zhì)的情況下，支架可以充當(dāng)模具，使最初的細(xì)胞層能夠正確地自我成形，并為器官提供結(jié)構(gòu)支撐。打印柔軟細(xì)膩的組織（如毛細(xì)血管）是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)樵谶@些地方使用支架是不可能的。如果沒有這種支架，用于打印這些軟組織的細(xì)胞很容易在自身重力的作用下崩塌。那么，如何才能不用這些支架呢？

研究人員絞盡腦汁，希望找到一種不用支架來制造微小組織的方法。到了20世紀(jì)70年代，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）約翰遜航天中心的研究人員想到，可以利用太空來解決這個(gè)問題。他們假設(shè)，如果細(xì)胞可以在沒有地球重力的情況下生長(zhǎng)，那它們就不會(huì)沉降到培養(yǎng)容器的底部;相反，飄浮在微重力環(huán)境中的細(xì)胞可能會(huì)以類似于體內(nèi)發(fā)生的方式組裝成器官。

為了驗(yàn)證這一假設(shè)，美國(guó)國(guó)家航空航天局開發(fā)了滾筒式生物反應(yīng)器（Rotating Wall Vessel，簡(jiǎn)稱RWV），一種用來模擬微重力的培養(yǎng)容器。事實(shí)證明，研究人員是對(duì)的！在微重力條件下培養(yǎng)的細(xì)胞不會(huì)形成二維層，并且能在沒有支架的情況下保持理想的形狀。然而，大規(guī)模應(yīng)用表明，這種技術(shù)相當(dāng)冗長(zhǎng)和昂貴。一個(gè)更簡(jiǎn)單的選擇是將生物打印技術(shù)轉(zhuǎn)移到太空。

在距離地球表面400公里的地方，也就是國(guó)際空間站所在的位置，重力明顯減弱。事實(shí)上，那里的重力是如此微弱，以至于物體看起來都沒有重量，飄浮在太空中。這種微弱的重力稱為“微重力”。同樣的細(xì)胞在地球上進(jìn)行生物打印時(shí)，只能形成塌陷的軟組織，但在微重力下卻能保持正常的形狀。因此，在國(guó)際空間站上，生物打印復(fù)雜和脆弱的組織變得容易得多。

太空打印實(shí)驗(yàn)

肌肉是一個(gè)比其他復(fù)雜人體器官（如腎臟）簡(jiǎn)單得多的開始。比這更加簡(jiǎn)單的可能是在微重力環(huán)境下生物打印牛排。一家公司也這么認(rèn)為。2019年9月，以色列食品技術(shù)公司Aleph Farms決定與俄羅斯和美國(guó)合作，試驗(yàn)在太空打印牛肉的可行性。他們將牛干細(xì)胞送入太空，并成功進(jìn)行了肌肉組織的生物打印。

不過，沒有人知道這種肉的味道如何。這個(gè)實(shí)驗(yàn)最終證明了在太空中打印生物組織是可行的。也許有一天，生物打印不僅能為宇航員提供一種方便的替代食物，而且還會(huì)作為一種更可持續(xù)的方式，滿足世界上對(duì)牛肉的需求，而不會(huì)造成畜牧業(yè)的高環(huán)境成本。

除了肉類生物打印以外，研究人員還在太空中進(jìn)行了器官打印實(shí)驗(yàn)。他們的計(jì)劃是在太空中打印出甲狀腺和軟骨組織。

這些器官可能在太空中打印得更好，但你可能想知道，它們被帶回地球后會(huì)如何。事實(shí)上，重力的增加確實(shí)會(huì)對(duì)這些生物打印的組織結(jié)構(gòu)施加很大的物理壓力。

Techshot是一家與美國(guó)國(guó)家航空航天局合作設(shè)計(jì)BFF的公司，開發(fā)了一種細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)，可以使組織變硬，使其在一定程度上抵抗重力的影響。活組織的生物打印可以在一天內(nèi)完成，然后放置在這個(gè)系統(tǒng)中，進(jìn)行12到45天的強(qiáng)化。經(jīng)過這一成熟過程，新的生物打印組織會(huì)變得更健康，功能更強(qiáng)，更有活力，能夠承受返回地球的旅程。

此前在太空實(shí)驗(yàn)中生物打印的甲狀腺和軟骨組織將被運(yùn)回地球，進(jìn)行進(jìn)一步的測(cè)試。研究人員將觀察這些器官和組織的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并了解空間運(yùn)輸對(duì)它們的影響。目前，我們?nèi)栽诘却Y(jié)果。

與生命中的所有事情一樣，在地球以外培育器官和組織也存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。細(xì)胞在微重力環(huán)境下生長(zhǎng)時(shí)，無論是在地球上還是在太空中，都會(huì)發(fā)生基因表達(dá)的改變。操縱和修改干細(xì)胞本身就增加了癌變的可能性。毫無疑問，操作生命體從來不是一件簡(jiǎn)單的事情！

遠(yuǎn)距離太空旅行和行星探索是人類一直以來的夢(mèng)想，而成功完成生物打印項(xiàng)目對(duì)實(shí)現(xiàn)這一夢(mèng)想至關(guān)重要。據(jù)估計(jì)，單程前往火星就需要500天左右。如果宇航員在那段時(shí)間內(nèi)發(fā)生緊急醫(yī)療事故，很可能就無法返回并導(dǎo)致任務(wù)中止。因此，用于再生醫(yī)學(xué)目的的生物打印對(duì)于長(zhǎng)期太空旅行的宇航員來說至關(guān)重要。

在地球上，如果一切順利的話，在太空中對(duì)器官進(jìn)行生物打印有可能結(jié)束需要器官移植者的漫長(zhǎng)等待。這項(xiàng)技術(shù)還可能消除器官排斥的巨大風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)樯锎蛴∑鞴倏梢允褂貌∪俗约旱募?xì)胞。當(dāng)然，我們也必須考慮可能的致癌副作用，但總體而言，在太空中打印器官，用人體自身的細(xì)胞按需生長(zhǎng)，是一個(gè)比目前現(xiàn)實(shí)情況更好的選擇。

◎ 來源|新浪科技