在太空3D 打印人體器官，能否實現(xiàn)？

北京時間 11 月 16 日消息，你知道嗎？3D 打印人體器官的最佳地點其實是在太空。2019 年，科學家為國際空間站開發(fā)了一臺 “3D 生物制造設(shè)備”（3D BioFabrication Facility，簡稱 BFF）。這是世界上第一臺能夠在太空中制造人體組織的 3D 打印機，于 2019 年 7 月搭載 SpaceX 公司的貨運飛船到達國際空間站。在無重力條件下打印人體組織聽起來很酷，但科學家們?yōu)槭裁磿鲞@樣的嘗試呢？

我們的身體有 78 個器官，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，總是會有那么一天，我們的某個身體組件可能會失靈或損壞，無法再保持健康的狀態(tài)。我們有時可以通過藥物或手術(shù)來修復，有時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)的器官會被捐獻者提供的健康器官所取代。

然而，一個可悲的事實是，有太多的病人需要器官，而沒有足夠的器官捐贈者。器官短缺是一個世界性的大問題。僅在美國，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。這是一個絕對必要的條件，因為血型不匹配對接受移植者來說可能是致命的。更糟糕的是，有時器官可能在運輸途中丟失，或不能及時送到預期患者手中。

為了解決這些非?，F(xiàn)實的問題，科學家正在嘗試 3D 打印生物組織。

生物打印——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。生物墨水由干細胞和供其生長的營養(yǎng)物質(zhì)組成，在打印時被一層又一層地添加到支架上。為什么用干細胞？因為它們可以變成任意類型的細胞。在生物打印過程完成后，器官將被放置在生物反應(yīng)器中，在那里進一步成熟，形成一個功能正常的器官。

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。但事實上，這項技術(shù)還沒有電影中呈現(xiàn)的那么先進。

地球的問題

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細胞水平。對細胞而言，重力其實非常重要，因為它指導著氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)在細胞內(nèi)的流動和分配。

不過，地球的重力也給生物打印帶來了兩個問題。

首先，重力使細胞層變平。在組織培養(yǎng)設(shè)備中，細胞通常在組織培養(yǎng)瓶中培養(yǎng)。這些瓶子里裝滿了營養(yǎng)豐富、供細胞生長所用的液體培養(yǎng)基，使科學家可以在沒有動物倫理問題的情況下進行生命實驗。然而，這些燒瓶中的細胞會在容器底部形成扁平層。在細胞和組織生長的過程中，重力會使它們壓縮，迫使它們在層疊形成扁平的二維層。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胞會受到人體獨特環(huán)境的引導，這種獨特環(huán)境，便是一個被稱為 “細胞外基質(zhì)”（extracellular matrix）的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)網(wǎng)。隨著這個基質(zhì)的形成，器官的其他細胞也會生長和成熟；而在器官發(fā)育的過程中，這個基質(zhì)會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。

這就引出了第二個問題。

“腳手架”的重要性

生物打印需要支架。在沒有細胞外基質(zhì)的情況下，支架可以充當模具，使最初的細胞層能夠正確地自我成形，并為器官提供結(jié)構(gòu)支撐。打印柔軟細膩的組織（如毛細血管）是一項巨大的挑戰(zhàn)，因為在這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？

解決方案：太空

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 70 年代，美國國家航空航天局（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問題。他們假設(shè)，如果細胞可以在沒有地球重力的情況下生長，那它們就不會沉降到培養(yǎng)容器的底部；相反，漂浮在微重力環(huán)境中的細胞可能會以類似于體內(nèi)發(fā)生的方式組裝成器官。

為了驗證這一假設(shè)，美國國家航空航天局開發(fā)了滾筒式生物反應(yīng)器（Rotating Wall Vessel，簡稱 RWV），一種用來模擬微重力的培養(yǎng)容器。事實證明，研究人員是對的！在微重力條件下培養(yǎng)的細胞不會形成二維層，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)相當冗長和昂貴。一個更簡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，也就是國際空間站所在的位置，重力明顯減弱。事實上，那里的重力是如此微弱，以至于物體看起來都沒有重量，漂浮在太空中。這種微弱的重力稱為 “微重力”。同樣的細胞在地球上進行生物打印時，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，在國際空間站上，生物打印復雜和脆弱的組織變得容易得多。

太空牛肉

肌肉是一個比其他復雜人體器官（如腎臟）簡單得多的開始。比這更加簡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合作，試驗在太空打印牛肉的可行性。他們將牛干細胞送入太空，并成功進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。這個實驗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，而且還會作為一種更可持續(xù)的方式，滿足世界上對牛肉的需求，而不會造成畜牧業(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行了器官打印試驗。他們的計劃是在太空中打印出甲狀腺和軟骨組織。

把器官從太空運到地球

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如何。事實上，重力的增加確實會對這些生物打印的組織結(jié)構(gòu)施加很大的物理壓力。

Techshot 是一家與美國國家航空航天局合作設(shè)計 BFF 的公司，開發(fā)了一種細胞培養(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?；罱M織的生物打印可以在一天內(nèi)完成，然后放置在這個該系統(tǒng)中，進行 12 到 45 天的強化。經(jīng)過這一成熟過程，新的生物打印組織會變得更健康，功能更強，更有活力，能夠承受返回地球的旅程。

此前在太空實驗中生物打印的甲狀腺和軟骨組織將被運回地球，進行進一步的測試。研究人員將觀察這些器官和組織的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并了解空間運輸對它們的影響。目前，我們?nèi)栽诘却Y(jié)果。

風險

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險。細胞在微重力環(huán)境下生長時，無論是在地球上還是在太空中，都會發(fā)生基因表達的改變。操縱和修改干細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單的事情！

結(jié)論

遠距離太空旅行和行星探索是人類一直以來的夢想，而成功完成生物打印項目對實現(xiàn)這一夢想至關(guān)重要。據(jù)估計，單程前往火星就需要 500 天左右。如果宇航員在那段時間內(nèi)發(fā)生緊急醫(yī)療事故，很可能就無法返回并導致任務(wù)中止。因此，用于再生醫(yī)學目的的生物打印對于長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，在太空中對器官進行生物打印有可能結(jié)束需要器官移植者的漫長等待。這項技術(shù)還可能消除器官排斥的巨大風險，因為生物打印器官可以使用病人自己的細胞。當然，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，用人體自身的細胞按需生長，是一個比目前現(xiàn)實情況更好的選擇。

責任編輯：PSY