为什么要到太空中打印人体器官

为了解决全世界危重病人器官移植短缺的问题，一些研究人员正着手开发3D打印活体组织的技术。不过，他们可能需要进入地球轨道才能实现这一目标。安德鲁?摩根是美国陆军的战地医生，见识过许多对人类而言相当惨烈的事情。他治疗过在爆炸中受伤的年轻士兵，“有些人在爆炸中失去了肢体，或者身受重伤”。在亲眼目睹了缓慢的愈合和恢复过程之后，摩根开始思考，新的组织甚至整个器官是否可以简单地打印出来，以替换受伤的身体部位？如果能够移植由受伤者自身细胞生成的组织，那无疑将大有裨益。摩根同时也是美国国家航空航天局的宇航员。按照上述想法，他在2020年花了几个月时间在外太空进行了一系列不寻常的实验。2020年4月，摩根在国际空间站（ISS）生活了272天后返回地球。在距地球表面400公里的轨道上，他利用3D打印机和生物墨水生成了由一个个细胞组成的活组织。“这就像在家里更换打印机墨盒一样，”摩根在谈到他使用的设备时说，“你放入墨盒，让培养组织发育，然后取出组织盒进行分析。”一切到目前为止似乎都很简单，但摩根和他的宇航员同事克里斯蒂娜?科赫之所以选择在轨道上做这些实验，其实是有原因的。“当你在地面上3D打印培养组织时，受到重力作用，它们会有坍塌的趋势，”摩根说，“这些组织需要某种（临时、有机的）支架来固定一切，特别是像心房心室这样的腔室。但在微重力环境中，它们不会受到这些影响，这就是为什么这些实验如此有价值的原因。”▲安德鲁?摩根在国际空间站进行的实验表明，器官可以在低重力环境下打印国际空间站的微重力环境非常适合测试“生物制造设备”，这台设备于2019年发射进入轨道，其目标是将人类细胞打印成器官形状的组织，预计将在2021年进行升级。一开始，摩根尝试用它来打印厚度不断增加的心脏样组织，但这项技术背后的团队希望对设备加以改进，以最终在太空中打印出完整的人体器官，用于器官移植。从简单到复杂事实上，打印人体器官并不像听起来那么匪夷所思。许多生物技术公司都在研究相关的方法，以最终利用病人自己的细胞来生成新的组织。大多数研究者采用的是10年前获得诺贝尔奖的一种方法，对细胞进行重编码，使其转化为干细胞；理论上，干细胞可以发育成人体的任何组织。给予适当的营养和培养条件，这些干细胞可以被诱导发育为特定的细胞类型。研究者通常将干细胞悬浮在一个水凝胶支架中，使不断生长的结构不致坍塌，所需的细胞类型就可以一层一层地打印成有功能的活体组织。Cellink是第一家将生物墨水商业化的公司，其首席科学家伊特代尔?蕾德万解释道：“我们已经生产出了能成功移植回动物体的组织，比如皮肤移植物。最近，我们正在研究激光辅助打印技术，以打印非常小尺度的毛细血管或其他血管组织。这种微小尺度的打印技术至关重要，但更重要的一步是将这种组织植入人体。”据估计，用这种方法打印出来的全功能组织和器官要移植到人体还需要10到15年的时间。科学家已经证明，3D打印基础组织甚至迷你器官是可能的。2018年，英国纽卡斯尔大学的一个团队打印出了第一个人类角膜，而以色列特拉维夫大学的研究团队利用一名心脏病患者的人体组织，打印出了一个微型心脏，他们认为这可以用于设计“心脏补丁”，以修复心脏的受损部位。后来，美国密歇根州立大学的科学家更进一步，利用模拟胎儿发育环境的干细胞框架，打印出了一颗迷你人类心脏，这使人工创造出功能正常、具有所有必要细胞类型和复杂结构的心脏成为可能。▲干细胞可以用于一层一层地打印组织，但制造功能完整的复杂器官仍然是一个挑战不过，心脏只是一个相对简单的“泵”，由一系列被肌肉组织包围的腔室组成。有研究者已经在构建更复杂的器官和组织结构方面取得了进展，一个研究小组已经将神经细胞整合到已打印的肌肉中，这是在未来移植中恢复肌肉控制和功能的关键一步。然而，构建完整的复杂器官，如肝脏和肾脏，是一个更大的挑战。这些器官混合了多种细胞类型，布满了血管和神经网络。哈佛大学的仿生工程学教授詹妮弗?刘易斯进行过组织打印的实验，但她对仍需克服的障碍持谨慎态度。再造一个器官的完整功能——例如心脏活动的同步性或肾脏的过滤功能——并没有人们想象的那么简单，复制器官发生（organogenesis）过程将是很重要的一步，在这一过程中，人体组织和器官的多细胞结构在胚胎中形成并发展出不同的功能。“例如，我们发现，与在体内形成的组织相比，实验室中形成的组织在功能上往往不够成熟，”詹妮弗?刘易斯说，“在科幻电影中可能很容易就做到了这一点，但对我们来说这是一个梦想。不过，未来几十年内，我们或许能看到这一梦想成为现实。”打印可供移植的器官从科学的角度来看，你也可以对有特定缺陷的心脏进行生物工程改造，来测试新的治疗手段。在短期内，打印器官将有助于在实验室内更有效地模拟疾病并帮助药物开发。这反过来也会有助于减少动物试验。从中期来看，当完整器官可以打印出来时，我们所面临的挑战可能会变成如何满足需求。目前，世界范围内供体器官严重短缺，难以满足需要移植器官的病人的需求。目前全世界大约有100万人在等待肾脏移植。据世界卫生组织估计，每年大约有13万例器官移植手术，但这只满足了移植需求的10%，能够为这些人提供器官本身就会意义重大。那些有幸接受供体器官移植的人还必须在余生中服用免疫抑制药物，以阻止他们的身体对这些“外来”器官产生排斥。但是，如果移植的新器官是用患者自己的细胞打印出来的话，排异的风险应该就会大大降低。这些需求和潜在的利益使得在太空中打印器官变得更有价值，即使需要投入巨大的成本。在太空中打印器官并不便宜。国际空间站的生物制造设备耗资700万美元，这还没算上将细胞和其他原材料送入轨道，再将器官安全带回地球的成本。在太空中进行大规模打印也十分困难。于是，一些人开始研究是否可以在地球上复制轨道上的低重力环境，以培育出复杂而脆弱的器官。例如，俄罗斯“3D生物打印解决方案”（3DbiopprintingSolutions）公司就生产了一个系统，利用磁场使组织悬浮起来，从而形成所需的结构。科学家们还必须想办法让打印出来的器官具有正常工作的血管和神经末梢。但在此之前，国际空间站的生物制造设施或许还可以进一步发掘其打印人体组织的潜力，满足工业和机构客户的需求。一些人，比如Techshot公司的首席科学家吉恩?博兰德，已经在设想有朝一日——可能是在本世纪30年代或40年代——在近地轨道上建立生物打印设施，利用微重力环境打印更复杂的人体组织，也许还能赋予其更先进的功能。对于其他人而言，他们在推动移植技术革命的发展时或许还带着某种非常个人化的追求。“我的女儿出生时只有一个肺，”NScrypt公司首席执行官肯?丘奇说，“她27岁了，现在情况良好，但仍然只有一个肺。不过，这也让我开始研究组织工程——那时生物打印还不存在——并且被这个概念迷住了。”NScrypt公司帮助开发了安德鲁?摩根在国际空间站上使用的生物打印机。目前NScrypt公司正在开发下一代生物打印机。这是一种生物反应器，不是利用低重力环境来防止打印出来的组织出现中心坏死，而是采用了其他方法，如旋转、摇晃，或是在组织生长时注入氧气。“如果我能在我女儿的有生之年为她培育出一个肺，我会感到非常激动，”丘奇说道。▲科学家正在尝试的一种方法是让组织在磁场中悬浮生长当然，人们总是很容易被按需打印器官的前景吸引，但我们还需要思考其他一些重要的问题。毕竟，打印人体器官的成功将会对人类社会产生深远的影响，尤其是在提高平均寿命方面。心血管疾病是目前大多数西方人死亡的主要原因，据估计有三分之一的人死于心血管疾病。对于心血管疾病患者来说，用更年轻、更健康的心脏替换原有心脏可能会延长几十年的寿命。不过，似乎并不是所有人都对这个想法感到满意。“我们收到了投诉，有一封电子邮件称我们是‘邪恶的化身’，”BioLife4D公司的莫里斯说，“他们认为，通过打印器官来延长生命是不对的，因为资源的稀缺已经导致了如此多的痛苦，生命的延长只会增加这种痛苦。”还有其他潜在的道德问题需要解决。“如果一些父母要求给他们12岁的孩子换一个更大的心脏，使心跳更有力，效率更高，这样他就能成为学校里的明星运动员，那该怎么办？”莫如果我们可以打印一个有两个瓣膜的心脏，那为什么不打印一个额外内置两个瓣膜的心脏呢？如果进化没有给我们提供一个带有额外瓣膜的心脏，我们或许就不应该这么做。但如果你无论如何都要更换一个器官，我不会反对用一个在某些方面有所改进的器官来替代它。”考虑到打印器官的高昂成本——尤其是在轨道上打印出来的器官——如果能打造出在某种程度上经过强化的心脏或肺等器官，或许就能吸引一些人来为这些技术付费。“这将是一个非常有争议的问题，”BioLife4D公司的组织工程师拉维?波拉说，“如果你从一个器官到另一个器官，逐渐改变一个人的一切，那或许可以说，留下来的并不是出生时的那个人，而是某种别的生物。”虽然目前的焦点是使用打印器官来进行拯救生命的手术，但不可避免地也会有人将其与整容手术进行比较。现在的问题是如何在这两者之间划分界限，很容易看出，人们可能会将选择强化器官等同为在运动中使用提高成绩的药物——大多数人可能反对这么做，但这些药物仍然在使用，仍然在商业化。也许器官打印最引人注目的用途根本就不会出现在地球上。随着人类开始深入太空，先是重返月球，再登陆火星，届时生物打印或许将成为一个维持生命的重要工具。在离地球数百万公里的地方，肯定找不到多少器官捐献者，而其他东西也会短缺，比如食物，此时生物打印就有了用武之地。“这是器官打印最前沿的可能性，”吉恩?博兰德说。Techshot公司已为在国际空间站上安装生物打印机提供了部分资金，并在宇航员安德鲁?摩根的协助下完成了一些远程操作实验。该公司目前已经与空间站公司AxiomSpace签署了一项协议，将在国际空间站上安装首台商用生物打印机。“最后，生物打印对深空探索也很重要，包括打印动物细胞作为食物，或者在医疗紧急情况下打印人体组织，”博兰德说，“与此同时，国际空间站上的这些实验将解开生物打印的一些秘密，使这项技术能首先在地球上应用。这是真正的飞跃时刻。”