疫情已經(jīng)在全球肆虐了半年之久，全球的科學(xué)家也在加快抗病毒新藥的研究。一些研究人員利用3D生物打印技術(shù)，打造人體微型器官，以此來研究新冠病毒的藥物療效。這種創(chuàng)新的背后有什么科學(xué)依據(jù)？這個項目有什么優(yōu)勢？多久可以實現(xiàn)推廣？本文通過采訪幾家研究所的科研人員，為讀者介紹這種3D生物打印技術(shù)新應(yīng)用。

在實驗室里，科學(xué)家正在用3D打印技術(shù)打造人體皮下組織和血管。在疫情期間，3D生物打印技術(shù)可以用來研究抗新冠病毒藥物的藥效

用3D打印技術(shù)打印微型器官

新冠疫情發(fā)展到現(xiàn)在，3D打印技術(shù)有效緩解了個人防護設(shè)備短缺的問題。

但是3D技術(shù)只能打印防護設(shè)備嗎？Wake Forest再生醫(yī)學(xué)研究所所長安東尼·阿塔拉（Anthony Atala）給出了否定的答復(fù)。現(xiàn)在，他和他的團隊正在以一種十分創(chuàng)新的方式應(yīng)用3D打印技術(shù)：打造微縮版的人體器官（有些器官和針頭一樣細小），用于檢測新冠病毒的特效藥。

目前，這個小組正在打造微縮版的人體肺部和結(jié)腸，根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，這兩種器官尤其受新冠病毒的影響。他們將打印好的器官通過快遞送到弗吉尼亞州的喬治·梅森大學(xué)的生物安全實驗室進行測試。

據(jù)悉，阿塔拉和團隊最初是徒手搭建微縮器官的，隨著疫情的加速，他們及其他生物實驗室需要的器官越來越多，他們決定用3D打印技術(shù)直接打印器官。

在過去的幾年中，阿塔拉所在的研究所已經(jīng)嘗試過打印器官的細胞簇，用以研究寨卡病毒對人體的傳染性及特效藥。他在北卡羅來納州的實驗室接受記者采訪時說：“我們那時候從未想到這個方法也可以用來研究新冠病毒?！?/p>

現(xiàn)在，他的團隊有能力在一小時內(nèi)印制上千個微型器官。

3D生物打印技術(shù)：科幻變現(xiàn)實

打印微型器官無疑是3D生物打印技術(shù)的一種應(yīng)用。盡管這種技術(shù)目前還沒有廣泛應(yīng)用，但已經(jīng)有越來越多的病患從中受益。我們現(xiàn)在還不能直接打印出一個完整的活人，但研究人員已經(jīng)可以用打印好的器官進行藥物研究，或者根據(jù)需要打印出一塊皮膚和標準尺寸的器官用于人體移植，這對肝臟衰竭者或燒傷者來說是一個福音。另外，對于可能傷害動物或人體的測試（如化妝品測試），現(xiàn)在也都用3D生物技術(shù)代替活體實驗了。

阿基列什·加哈瓦爾（Akhilesh Gaharwar）是得克薩斯農(nóng)工大學(xué)生物醫(yī)學(xué)系跨學(xué)科實驗室的負責(zé)人，這個實驗室致力于生物打印技術(shù)和其他再生醫(yī)學(xué)技術(shù)。他對此評論道：“即使對我們（專業(yè)人員）來說，這種技術(shù)也像是只有科幻中才存在?！?/p>

目前，生物打印技術(shù)對藥物實驗至關(guān)重要，不僅可以用來檢測新冠病毒的特效藥，還能檢測包括癌癥在內(nèi)的多種疾病的藥物。阿塔拉認為，用打印出的器官做藥物實驗還有一個好處：這些器官不會產(chǎn)生新陳代謝，可以讓研究人員排除干擾因素，讓實驗結(jié)果更加準確。

他用一款名叫Rezulin的抗糖尿病藥舉例子。這是一款曾經(jīng)非常流行的藥，但后來被發(fā)現(xiàn)對肝臟有損害，于是在2000年左右被召回。阿塔拉說，他所在的實驗室用剩下的Rezulin藥片和微型器官做實驗，結(jié)果證實了這種藥物的毒性，因為兩周之內(nèi)微型肝臟的毒性指數(shù)明顯提升了。他認為微型肝臟為實驗提供了一個“純凈”的環(huán)境，便于控制變量，不會像臨床試驗?zāi)菢邮艿綄嶒瀭€體情況的影響。

阿塔拉認為，生物技術(shù)實驗將會是臨床試驗的一個重要補充，但不會完全替代臨床試驗。

如何打印器官和血管？

用生物打印技術(shù)制作出來的皮膚和器官可以用來檢測某種藥物或產(chǎn)品對人體的傷害。在傳統(tǒng)的藥物或產(chǎn)品檢測中，一些對動物（如小白鼠）無傷害的成分最后卻對人體有害。加哈瓦爾說：“3D生物制品可以讓我們免于動物測試，直接研究人體能否適應(yīng)某些成分?！彼J為無論是從效果還是道德的角度考慮，用3D技術(shù)代替動物實驗都是正確的選擇。2013年，歐盟開始明文禁止化妝品公司用動物做實驗。

這些微型器官的支架被研究人員稱戲稱為“手腳架”，是用可降解的材料做成的。這些支架內(nèi)埋有直徑為50微米（大約是人類頭發(fā)的一半）的微型管道，為器官輸送營養(yǎng)物質(zhì)。在搭建好支架、安放好器官后，就可以在上面涂抹一層“生物墨水”——這是一種細胞和水凝膠合成的粘液，像蛋糕奶油一樣刷在支架上。

微型器官還有一個重要的部分就是血管。

潘卡·卡蘭德（Pankaj Karande）是倫斯勒理工學(xué)院化學(xué)與生物工程學(xué)院的助理教授，他從2014年開始研究如何打印皮膚，最近他的研究有了重大突破。他和他的團隊使用一種特殊的纖維細胞和膠原蛋白做支架，這種細胞可以不斷生長。他們以此為支架打印皮膚的表皮和真皮（皮膚的前兩層）?？ㄌm德說：“看起來皮膚不介意被切成一塊，皮膚細胞還是可以活下來?！?/p>

但是他們發(fā)現(xiàn)，沒有血管做支持，打印出來的皮膚最終會脫落。于是卡蘭德等人開始和耶魯大學(xué)的兩位研究人員合作，最終成功構(gòu)建出了皮膚的第三層組織——皮下組織和血管?？ㄌm德說，第三層組織決定了移植后的皮膚是否可以存活。

Wake Forest研究所早期搭建的微型心臟

三個人著手開始進行試驗，將合成血管的內(nèi)皮細胞和包裹內(nèi)皮細胞的周細胞整合到皮膚中。經(jīng)過反復(fù)試驗，他們終于在3D打印出的皮膚上成功打造了第三層皮下組織，將血管和皮膚融合在一起。

盡管這個項目目前還處于初級階段（已經(jīng)在小白鼠身上進行了測試），但這項技術(shù)將會在未來給人類更換皮膚和血管提供可能。

“個性化”成3D生物技術(shù)新挑戰(zhàn)

卡蘭德表示，這個項目是異常艱苦的，需要做很多實驗，試錯很多次?！拔覀兿葓?zhí)行計劃A，但它通常都是行不通的，然后我們開始在清單上找計劃B，計劃C，以此類推。我們最終的報告可能只有5頁是寫有效結(jié)果的，剩下5000頁都是記錄失敗實驗的。”

加哈瓦爾的實驗室的重點在于如何打印可以移植的人體骨骼。他希望未來的移植骨骼流程如下：患者通過放射掃描，將需要移植的骨骼形狀進行精準的呈現(xiàn)，然后再進行打印。他表示，這一點在顱面修復(fù)中至關(guān)重要，現(xiàn)有的顱面修復(fù)很難精準地重建缺失或受損的骨骼形狀。

卡蘭德和加哈瓦爾的觀點一致。他認為3D生物打印技術(shù)中“個性化”的成分很重要。在打印移植的皮膚時，需要考慮被移植者的膚色。而且，鑒于皮膚對調(diào)節(jié)體溫至關(guān)重要，因此他還在研究如何在皮膚中增加汗腺和毛囊?？ㄌm德表示：“當(dāng)我們重新構(gòu)建一塊皮膚時，我們希望它有人體皮膚的全部功能。我們通過獲取患者自己的細胞，以此為基礎(chǔ)進行打印，希望能最大程度上排除患者身體對移植皮膚的排斥?！?/p>

“最激動人心的項目”

毫不意外的是，研究人員現(xiàn)在也在做研究數(shù)據(jù)的收集。Wake Forest研究所的成員正在和Oracle公司進行合作，從人體器官中捕獲大量數(shù)據(jù)并使用人工智能進行分析。這個項目被認稱為“人體芯片”，基于收集到的數(shù)據(jù)，科學(xué)家可以用3D生物打印技術(shù)打造微縮版的人體器官，進行藥物功效的研究。

據(jù)悉，一個切片上可以容納10到12個迷你器官。

Oracle公司的健康科學(xué)部門首席科學(xué)家麗貝卡·拉伯德（Rebecca Laborde）表示：“我們現(xiàn)在在和研究人員、制藥公司和生物技術(shù)公司進行合作，收集數(shù)據(jù)、開發(fā)新藥，相信可以很快取得進展。”

她還補充說：“這么長時間以來，這是我遇到的最激動人心的項目?！?/p>