根据美国(guó)器官(guān)共享网络(UNOS)——管理(lǐ)全国器官移植系统(tǒng)的非营利组织的数(shù)据(jù)显示,在美国(guó)平(píng)均平均每天有20人死于等待器官移植。虽然现在每年有超过3万例移植手术,但是还有超过(guò)11.3万名患者在等候器官(guān)移植。所以人(rén)工制造的人体器(qì)官已被视为解决这个问题的(de)重要途径之一(yī)。
打印出(chū)“自行(háng)跳动的心(xīn)脏(zāng)”
目前来看,实验室里已可以人工培育出具备所需功能的细胞、脉管系统。这些(xiē)人工培育的人体器官被许(xǔ)多人视为能解决上述这种移植(zhí)器(qì)官(guān)短缺问题的重要途(tú)径,3D打印的进步大(dà)大(dà)地提高(gāo)了这种(zhǒng)活体组(zǔ)织构(gòu)造人工培(péi)育水平。然而,迄今为止所(suǒ)有3D打(dǎ)印的(de)人体组织仍存在缺陷(xiàn),比如(rú)它(tā)们缺乏用于器官修复和替换所需的细胞(bāo)密度以及某些功能(néng)性(xìng)。
美国哈佛大学Wyss生物(wù)启发工程(chéng)研究(jiū)所和John A. Paulson工程与应用(yòng)科学学院(yuàn)(SEAS)的研(yán)究人员共(gòng)同研发了一(yī)种叫SWIFT(sacrificial writing into functional tissue)的方法。它可以通过(guò)将血管通道(dào)网络直接用3D打印(yìn)的(de)方法(fǎ)打(dǎ)印(yìn)到活体器(qì)官的3D构建模块中,以此来解决一些现(xiàn)存(cún)问题(tí),甚至能够创(chuàng)建出更近(jìn)似于器官大小且具备相应(yīng)功能的较(jiào)大组织结(jié)构,比(bǐ)如在七天内(nèi)仍能(néng)自(zì)行跳(tiào)动的心脏(zāng)组织。
构建(jiàn)活(huó)体组织(zhī)的“血管”
SWIFT是一种全新的组(zǔ)织制造模式,它能够打印含有大量干细胞衍生出(chū)的器(qì)官构建模(mó)块,能(néng)打(dǎ)印出构(gòu)建活体组织(zhī)所必(bì)需的血管系统,它已不仅仅只是打印一个(gè)个(gè)微小的细胞。而它的运作(zuò)过程相对简单,只有两个步骤:第一步,将(jiāng)数十万个由干细胞(bāo)衍生的聚集体形成一个(gè)密集的(de)活体基质构建模(mó)块——这种基质每(měi)毫升含有约(yuē)2亿(yì)个细胞。第二步,将氧和其他(tā)营养物通过打(dǎ)印的血管系统输送到细胞内部,然后将这(zhè)个血管系(xì)统嵌入(rù)活体基质构建模块中。从这些模块中(zhōng)形成的最终(zhōng)出品物,不仅能达到(dào)类(lèi)似(sì)于人(rén)体器官的高细胞密度,其基质的(de)黏度(dù)还能够(gòu)保证其内部可以放入3D打印出的可持续灌注营(yíng)养物质及氧的血管系统(tǒng),以模仿真正(zhèng)的(de)人体器官。
在这项(xiàng)技术中,研究人员能(néng)够将通道(dào)的直(zhí)径从400微米变为1毫米,并将它(tā)们无(wú)缝连接,形(xíng)成(chéng)组织内的分支(zhī)血管网络。所以使用SWIFT技术嵌入的血管系统能以这种方式“存活”。如(rú)果(guǒ)没有这些血管(guǎn)系统,这种组织结构(gòu)12小时内可能已开始经历(lì)细胞(bāo)批(pī)量死(sǐ)亡。
研究人员表示,把干(gàn)细(xì)胞研(yán)究人员的最新进展与新开发的生物打印方法相结合,SWIFT技术就将极大(dà)地推动全球人体器官工程(chéng)领(lǐng)域的(de)发展,朝着(zhe)在(zài)体外创造功能(néng)性人体器官的目标迈出一大步。这(zhè)项研究(jiū)最(zuì)终有可能大大改善器官工程,并成功延长许多自身器官衰竭的患者的(de)寿(shòu)命(mìng)。
目前研究(jiū)人员正在尝试将这些人(rén)造组织植入动(dòng)物(wù)模型体内,并探索它们的(de)“宿主整合”过程。它正是“3D器官工程计划”的一个重要(yào)部分。