在美國，平均每天有18 人在等待器官移植時去世。捐獻的器官很難獲得，這就是為什麼許多科學家在過去二十年裡一直試圖從零開始創造新的肝臟、腎臟、心臟或肺臟。一種製造這種精細結構的潛在方法是使用生物相容性材料進行 3D 列印，或稱為生物列印——據報道，現在已經生產出功能性的肺臟和肝臟組織模型，這還得益於一種非常規的成分：食用色素。
潛在的器官印表機此前一直受到某些器官複雜性的阻礙。例如，我們的肺臟和肝臟包含物理和生化上相互纏繞的血管和氣道網路（在肺臟中）或膽管（在肝臟中）。能夠重建這種脈管系統——並使流體動力學正常運作，從而使血液和其他液體正常流動——一直是一個持續的挑戰。
現在，來自華盛頓大學和萊斯大學的一個研究團隊表示，他們已經使用一種名為投影立體光刻技術的 3D 列印技術生產出了功能性組織模型。這種方法將薄層液態樹脂暴露於藍光下，藍光將其固化成複雜的、由水凝膠組成的結構——水凝膠是由纏結的聚合物分子鏈組成的凝膠。這些形成了一個結構性的“支架”，研究人員可以將活細胞植入其中，使其能夠執行肺臟或肝臟的工作。在新的研究中，植入的細胞存活了下來，並且由此產生的器官組織模型展示了真實器官的一些功能。研究結果上週發表在《科學》雜誌上。
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“這絕對是我們創造近似正常組織的 3D 列印結構能力方面的一個重大進步，”維克森林再生醫學研究所主任 Anthony Atala 說，他沒有參與這項新研究。
投影立體光刻的基本技術自 20 世紀 80 年代以來就已存在，但“它在設計時並沒有考慮到生物學；它被用來製造塑膠結構，”萊斯大學布朗工程學院生物工程助理教授、新論文的合著者 Jordan Miller 說。該技術可以生產比標準 3D 列印更精細的層，而且速度也更快。“與擠出技術每分鐘建立一個層不同，使用立體光刻技術，我們可以在幾秒鐘內完成，”Miller 說。速度至關重要：由於列印結構最終會將氧氣和營養物質輸送到細胞，因此更快的速度意味著在製造過程中死亡的細胞更少。
但存在一個挑戰。這種型別的列印過程依賴於光反應化學物質（對光有反應的物質），以便液體中的某些預程式設計區域會固化，而其他區域保持柔軟，隨後可以被沖洗掉。不幸的是，許多這些化學物質都是致癌的。為了使 3D 印表機能夠建立器官所需的精細脈管系統以進行營養輸送和廢物清除，它需要立體光刻技術提供的精度；但對於移植來說，它需要安全、水溶性的光反應劑。
因此，研究人員不得不尋找一種替代經過驗證但有毒化學物質的替代品。當 Miller 和他的團隊猜測食用色素可能會奏效時——他們知道食用色素會吸收正確的光波長以使 3D 列印過程工作，並且相對具有生物相容性——他們太急於求成，無法等待供應商運送這種成分。因此，Miller 說，“我去了超市，買了一套人們用來製作糖果的食用色素染料。”
它奏效了。首先，該團隊用食用色素黃色 5 號或檸檬黃為液態聚合物著色，然後讓印表機的投影儀將藍光照射到其上。這引發了局部化學反應，使液體固化。由於印表機以預程式設計的模式投射光線，因此它建立了一個設計，該設計硬化成薄而堅韌的生物結構。“我們欣喜若狂，因為它令人震驚地簡單；它立即使我們能夠製造出這種極其複雜的架構，”Miller 說。
黃色 5 號存在於許多零食中，它還有另一個優點：它可以很容易地從生物列印結構上衝洗掉，留下一個清晰的框架，可以用來滋養科學家填充的任何細胞。殘留的少量染料預計不會影響細胞健康。（研究表明，正如傳言所說，黃色 5 號不會影響精子數量；然而，它可能會加劇兒童已有的多動症。）
進行測試
儘管研究人員以前曾生物列印過組織，但他們一直無法使細胞存活足夠長的時間。最新的研究必須在這方面測試新列印的支架，而紅細胞是一個簡單的開始方式。
該團隊建立了一個氣囊的比例模型，模仿了肺臟複雜脈管網路的一個關鍵部分。它包括一個空氣通道和單獨的血細胞通道。在健康的人肺中，這兩個結構在不接觸的情況下交換氧氣。該模型執行了相同的功能，使血細胞保持存活。它也被證明足夠堅固，可以在模擬“呼吸”使列印組織擴張和收縮時保持其結構。
接下來，研究人員測試了肝臟組織的模型。此處列印過程的一部分包括將稱為肝細胞的專門肝細胞注入列印結構中。該團隊將人工肝臟組織植入患有慢性肝損傷的活體小鼠以及未受傷的小鼠體內，然後對它們進行了測試。一個功能齊全的肝臟具有 500 多種功能，在這種情況下，他們只檢查了一種功能，但它確實證明是成功的——並且肝細胞在活體小鼠中存活了下來。
新的列印方法還生產了可用的血管內瓣膜，這些瓣膜在心臟和腿部靜脈中起著關鍵作用。在測試中，列印的版本在流體流過時保持了其結構，並且它們阻止了流體向後流過瓣膜。
列印器官開啟新局面
那麼，生物列印器官離移植名單上的患者可以使用還有多久？科學家們還有很多東西需要弄清楚——從基礎知識開始，例如確定最佳的基礎水凝膠。哪種蛋白質效果最好？是否應該使用生長因子等新增劑來加速這一過程？“現在我們可以開始有條不紊地改變這些因素，看看哪些更重要——並詢問這如何影響細胞的功能，”論文合著者、華盛頓大學生物工程和病理學系助理教授 Kelly Stevens 說。然後是如何最好地構建支架，以及有多少列印材料可以實際替代組織的問題。“這些是技術上的新飛躍使我們首次能夠提出的問題，”Stevens 說。
研究人員不希望成為唯一嘗試這些可能性的人——因此他們將他們的技術開源，允許其他生物工程師測試他們自己的應用。“生物列印開源確實有助於加速這項技術——它確實更快地推動了該領域的發展，”Atala 說。他計劃將這些發現應用於他的團隊正在研究的許多器官組織結構。
其他潛在的器官制造者可以購買專門的印表機和墨水——Miller 和該論文的其他一些合作者成立了一家名為 Volumetric 的初創公司來銷售這些材料——或者可以自己複製這項工作。Miller 說，分享 DIY 選項對他來說很重要。“我們真的對在生物列印中開啟一套新的設計自由感到興奮，”他說。