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2021/03/15
由3D列印打造的生物器官，你能想像嗎？〈上〉
在過去十年裡，3D生物列印已經取得了空前的進步，現在就來了解3D列印器官的最新發展吧！(本文劃分上集及上集)
生產功能性的器官和組織，將改變器官移植的遊戲規則。(資料來源︰Liam Critchley via AZoM)
3D生物列印技術必須的進步原因
儘管世界各地有成千上萬的器官移植手術，但根本無法滿足日益增長的器官捐贈需求，加上我們無法在器官工廠生產它們，因此活體和死亡的捐獻者，成為當今這些拯救生命的器官，唯一的可行來源。然而，再生醫學是一種跨學科的醫學分支，它通過修復、甚至替換受損或受傷的細胞來促進器官和組織的再生，並採用了廣泛的技術，包括幹細胞治療和組織工程——這都是3D列印正在廣泛研究的領域。
在本文中，我們將按照器官的類型來介紹3D列印器官的項目中，有哪些最新和最令人振奮的發展，而在我們跳入主題之前，讓我們先確立3D生物列印到底是什麼？我們又如何應用它來生產生物組織和器官？
3D生物列印技術仍在發展中，但已經顯示出一些成果。(資料來源︰Magnus Johansson via Technology Networks)
關於生物列印
簡而言之，3D生物列印基本上是應用快速成型技術來創建組織工程的三維結構，從設計有機結構到材料的後期刺激，即所謂的「成熟」，它涉及多個具有高度複雜性的過程。雖然有不同的生物列印方法，但也許最常見的一種是類似FDM的技術，在這種技術中，一種黏性材料被逐層擠壓並沉積，而這種材料被稱為「生物墨水」，主要由細胞和載體劑所組成，它通常是一種生物聚合物凝膠，可作為3D支架。生物墨水的開發有它自己的研究領域，並與醫學研究人員和生物列印機的開發人員攜手合作。雖然生物列印技術尚處於起步階段，但到目前為止，已經取得許多令人振奮的突破。
讓我們來談談一些迄今為止，最有前景的器官3D列印項目。
3D列印組織︰最有前景的項目
腎臟
腎臟作為最被需要的移植器官，可謂完美生物列印的首選。(資料來源︰Nicola Bagalà via LEAF)
在所有具有潛質的3D製造器官中，腎臟可能是最難重建的器官，主因乃其內部的結構非常複雜，然而，腎臟是最被需要移植的器官，所以它是最適合器官批量生產的首選。為此，早在2016年，哈佛大學的科學家就開發出一種新的生物列印方法，此法可製造出腎臟的近端腎小管，而腎元是腎臟最基本的結構，負責器官中所有的血液過濾工作。接近2019年時，美國生物列印公司Organovo宣佈通過自己的生物列印平台Organovo NovoGen成功實現了腎臟器官的自動化生產。這是一種以幹細胞為基礎的自組織結構，可以相對快速地大量生產。
最近，在2020年9月，聯合治療公司與以色列再生醫學公司CollPlant Biotechnologies合作，將其材料技術rhCollagen應用於腎臟生物列印的開發。
肝臟
Organovo的3D生物列印機能夠生產肝臟組織貼片。(資料來源︰Bruce V. Bigelow via Xconomy)
在美國，有超過450萬人受到肝病的影響，這幾乎佔了總人口的2%，時至今日，治療末期肝病的唯一可行方法就是移植，不消說，器官需求和供應之間的差距正在不斷擴大。2016年，加州大學聖地牙哥分校的研究人員以3D列印出有機組織，在結構和功能上，都能模仿真實的肝臟結構。當時，這種生物工程組織被製藥業用於藥物開發和測試。Organovo(上文提到他們的腎臟技術進展)也能夠3D生物列印出肝臟組織的補丁，並在2018年進一步將其植入活鼠，結果非常理想，因為在植入一個月後，其組織留存和功能都得到了驗證。當時，部分肝臟移植的目標是在2020年進行人體試驗，但目前尚未實現。
來自聖保羅大學的巴西研究人員報告所稱，他們在2019年底成功使用生物列印出了「微型肝臟」。這些類器官的結構來自人類的血細胞，並具肝臟的正常功能，如產生蛋白質、儲存維生素，甚至分泌膽汁。據研究人員介紹，從收集患者的血液到迷你肝臟的最終成果，整個過程大約需時90天。
心臟
2019年出現了第一顆全血管化的3D列印迷你人類心臟。(資料來源︰Amir Cohen via Reuters)
目前為止，心臟是最有前景的3D生物列印器官項目，因為心臟是最容易重建的器官之一，它沒有採用任何複雜的生化反應，相反，它主要的功能是充當一個液壓泵。威克森林再生醫學研究所(WFIRM)是美國的研究機構，專注於組織工程的各種應用，包括移植。早在2018年，WFRIM的一個研究小組就宣稱利用小鼠細胞來進行3D生物列印的心臟組織功能。2019年，特拉維夫大學分子細胞生物學和生物技術學院的研究人員，以有史以來第一個全血管化的3D列印迷你人類心臟，震撼了全世界，這個生物列印的器官由患者的人類細胞和載體凝膠所製成，目前，TAU的團隊正努力使心臟細胞成熟，並使其功能齊全。
總部位於芝加哥的Biolife4D公司也在2019年完成了類似的突破，並宣佈了他們的生物列印心臟，不過，與特拉維夫大學研發的生物列印相比，這款生物列印在功能上有所擴展，而且體積上也大了許多。在過去幾年中，業界已能取得如此之多的重要突破，專家預測在十年內，將會出現可隨時移植的生物列印心臟。
未完待續，請點擊︰由3D列印打造的生物器官，你能想像嗎？〈下〉
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