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我们能在太空中生物3D打印器官吗?

时间:2020-11-17 09:35 来源:新浪科技 作者:中国3D打印网 阅读:
极光尔沃
     你知道吗?3D打印人体器官的最佳地点其实是在太空。2019年,科学家为国际空间站开发了一台“3D生物制造设备”(3D BioFabrication Facility,简称BFF)。这是世界上第一台能够在太空中制造人体组织的3D打印机,于2019年7月搭载SpaceX公司的货运飞船到达国际空间站。在无重力条件下打印人体组织听起来很酷,但科学家们为什么会做这样的尝试呢?
      我们的身体有78个器官,它们和谐地工作,使我们每一天、每一年都能维持正常的生理功能。然而,总是会有那么一天,我们的某个身体组件可能会失灵或损坏,无法再保持健康的状态。我们有时可以通过药物或手术来修复,有时则无法保留原有的器官,更换便成为唯一的解决方案。这些受损或功能失调的器官会被捐献者提供的健康器官所取代。
        然而,一个可悲的事实是,有太多的病人需要器官,而没有足够的器官捐赠者。器官短缺是一个世界性的大问题。仅在美国,就有超过10万人在等待器官移植。即使有可用的器官,供者的血型也可能与受者的血型不匹配。这是一个绝对必要的条件,因为血型不匹配对接受移植者来说可能是致命的。更糟糕的是,有时器官可能在运输途中丢失,或不能及时送到预期患者手中。
       为了解决这些非常现实的问题,科学家正在尝试3D打印生物组织。

装有细胞和培养基的组织培养瓶。
 生物打印——打印活组织
        生物打印是3D打印技术的形式之一,更确切地说,便是打印活组织。生物墨水由干细胞和供其生长的营养物质组成,在打印时被一层又一层地添加到支架上。为什么用干细胞?因为它们可以变成任意类型的细胞。在生物打印过程完成后,器官将被放置在生物反应器中,在那里进一步成熟,形成一个功能正常的器官。
在《碟中谍》系列电影中,IMF小组也使用了同样的技术来打印面罩。但事实上,这项技术还没有电影中呈现的那么先进。
  地球的问题
       生活在地球上的所有生命都受到重力的作用,无论你是像蓝鲸一样大,还是像病毒粒子一样小,重力的影响无处不在。这种影响甚至可以到达细胞水平。对细胞而言,重力其实非常重要,因为它指导着氧气和营养物质在细胞内的流动和分配。
不过,地球的重力也给生物打印带来了两个问题。
        首先,重力使细胞层变平。在组织培养设备中,细胞通常在组织培养瓶中培养。这些瓶子里装满了营养丰富、供细胞生长所用的液体培养基,使科学家可以在没有动物伦理问题的情况下进行生命实验。然而,这些烧瓶中的细胞会在容器底部形成扁平层。在细胞和组织生长的过程中,重力会使它们压缩,迫使它们在层叠形成扁平的二维层。这并不是器官自然发育的方式。
      在体内,生物组织的形成是三维的。即将成为器官的特定细胞会受到人体独特环境的引导,这种独特环境,便是一个被称为“细胞外基质”(extracellular matrix)的蛋白质结构网。随着这个基质的形成,器官的其他细胞也会生长和成熟;而在器官发育的过程中,这个基质会把所有的东西固定在一起。然而,在塑料培养容器内,没有体内的多种相互作用,细胞无法形成功能齐全、结构相似的器官。
这就引出了第二个问题。
  “脚手架”的重要性
      生物打印需要支架。在没有细胞外基质的情况下,支架可以充当模具,使最初的细胞层能够正确地自我成形,并为器官提供结构支撑。打印柔软细腻的组织(如毛细血管)是一项巨大的挑战,因为在这些地方使用支架是不可能的。如果没有这种支架,用于打印这些软组织的细胞很容易在自身重力的作用下崩塌。那么,如何才能不用这些支架呢?
  解决方案:太空
       研究人员绞尽脑汁,希望找到一种不用支架来制造微小组织的方法。到了20世纪70年代,美国国家航空航天局(NASA)约翰逊航天中心的研究人员想到,可以利用太空来解决这个问题。他们假设,如果细胞可以在没有地球重力的情况下生长,那它们就不会沉降到培养容器的底部;相反,漂浮在微重力环境中的细胞可能会以类似于体内发生的方式组装成器官。
        为了验证这一假设,美国国家航空航天局开发了滚筒式生物反应器(Rotating Wall Vessel,简称RWV),一种用来模拟微重力的培养容器。事实证明,研究人员是对的!在微重力条件下培养的细胞不会形成二维层,并且能在没有支架的情况下保持理想的形状。然而,大规模应用表明,这种技术相当冗长和昂贵。一个更简单的选择是将生物打印技术转移到太空。
         在距离地球表面400公里的地方,也就是国际空间站所在的位置,重力明显减弱。事实上,那里的重力是如此微弱,以至于物体看起来都没有重量,漂浮在太空中。这种微弱的重力称为“微重力”。同样的细胞在地球上进行生物打印时,只能形成塌陷的软组织,但在微重力下却能保持正常的形状。因此,在国际空间站上,生物打印复杂和脆弱的组织变得容易得多。

研究人员在国际空间站进行了生物打印组织器官的试验。
 太空牛肉
        肌肉是一个比其他复杂人体器官(如肾脏)简单得多的开始。比这更加简单的可能是在微重力环境下生物打印牛排。一家公司也这么认为。2019年9月,以色列食品技术公司Aleph Farms决定与俄罗斯和美国合作,试验在太空打印牛肉的可行性。他们将牛干细胞送入太空,并成功进行了肌肉组织的生物打印。
       不过,没有人知道这种肉的味道如何。这个实验最终证明了在太空中打印生物组织是可行的。也许有一天,生物打印不仅能为宇航员提供一种方便的替代食物,而且还会作为一种更可持续的方式,满足世界上对牛肉的需求,而不会造成畜牧业的高环境成本。除了肉类生物打印以外,研究人员还在太空中进行了器官打印试验。他们的计划是在太空中打印出甲状腺和软骨组织。
  把器官从太空运到地球
         这些器官可能在太空中打印得更好,但你可能想知道,它们被带回地球后会如何。事实上,重力的增加确实会对这些生物打印的组织结构施加很大的物理压力。Techshot是一家与美国国家航空航天局合作设计BFF的公司,开发了一种细胞培养系统,可以使组织变硬,使其在一定程度上抵抗重力的影响。活组织的生物打印可以在一天内完成,然后放置在这个该系统中,进行12到45天的强化。经过这一成熟过程,新的生物打印组织会变得更健康,功能更强,更有活力,能够承受返回地球的旅程。
       此前在太空实验中生物打印的甲状腺和软骨组织将被运回地球,进行进一步的测试。研究人员将观察这些器官和组织的内部结构,并了解空间运输对它们的影响。目前,我们仍在等待结果。
  风险
      与生命中的所有事情一样,在地球以外培育器官和组织也存在一定的风险。细胞在微重力环境下生长时,无论是在地球上还是在太空中,都会发生基因表达的改变。操纵和修改干细胞本身就增加了癌变的可能性。毫无疑问,操作生命体从来不是一件简单的事情!
  结论
        远距离太空旅行和行星探索是人类一直以来的梦想,而成功完成生物打印项目对实现这一梦想至关重要。据估计,单程前往火星就需要500天左右。如果宇航员在那段时间内发生紧急医疗事故,很可能就无法返回并导致任务中止。因此,用于再生医学目的的生物打印对于长期太空旅行的宇航员来说至关重要。
        在地球上,如果一切顺利的话,在太空中对器官进行生物打印有可能结束需要器官移植者的漫长等待。这项技术还可能消除器官排斥的巨大风险,因为生物打印器官可以使用病人自己的细胞。当然,我们也必须考虑可能的致癌副作用,但总体而言,在太空中打印器官,用人体自身的细胞按需生长,是一个比目前现实情况更好的选择。

(责任编辑:中国3D打印网)

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