「天宮」空間站未來可能展開的最重要任務:3D器官列印

科技     2021年07月20日

天宮空間站已經遨遊在380千米的近地軌道上,數天來三位航天員的一舉一動都受到了全球網民的關注,對接當天航天員們就開始架設設備,展開為期三個月的軌道實驗!

「天宮」空間站未來可能展開的最重要任務:3D器官列印

天宮空間站究竟有哪些科學實驗要做?

天宮空間站當前有9項重大任務,而與之相關的都是微重力,因為太空的微重力環境,會讓很多特性變得和地球上不一樣,比如微重力下的流體將會呈現一個幾乎完美的球形,因此空間流體力學受到科學家的重點關注!而大家關心的另一個焦點則是微重力下特殊材料的製備,比如對流與擴散以及凝固過程和地面完全不一樣,它將形成全新的材料!

「天宮」空間站未來可能展開的最重要任務:3D器官列印

另一個最讓大家關心的則是最近在國際空間站上展開的生命科學相關的試驗:3D器官列印,可能很多朋友都不明白,為什麼要去國際空間展上列印器官?其實道理很簡單,3D材料列印和器官列印完全不一樣!

「天宮」空間站未來可能展開的最重要任務:3D器官列印

3D材料列印時會有融化、粘接凝固等層層堆積的過程,無論是金屬還是塑料都是「剛性」結構,但3D生物器官不是這樣,在地球上列印時會由於重力作用而塌縮,結果形成的器官形狀很難維持!但微重力下空間站列印則完全可以消除這種不利因素!

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下頜骨和耳朵

器官移植:究竟有多少障礙?

等待器官移植已經成為很多很多器官衰竭患者活下去的唯一希望,2019年我國器官移植手術19454例,挽救了將近兩萬個家庭,但仍然有大量的患者在等待器官移植中死去,其中最大的原因則是登記捐獻者數量嚴重不足!

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我國腎和肝移植年度變化(1997–2007)

但事實上就算是等到了捐獻者的器官,受者未來也面臨著嚴重的排異反應,十年內存活率僅達到60%,有沒有一種技術可以讓器官沒有排異反應?

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器官移植的排異反應,究竟如何解決?

所謂的排異反應就是人體免疫系統認為這個是非人體自身組織,這個防禦系統幾近完美,因為免疫系統可以檢測小到病毒大到寄生蟲等各類病原體以及有害物質,在正常情況下能夠將這些物質與生物體自身的健康細胞和組織區分開來,並召喚免疫細胞將其殺死!

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它的存在非常重要,比如HIV(愛滋病毒)就是獲得性免疫缺乏綜合徵,專門破壞人體免疫系統,一旦被破壞,即使是感冒也能要人的命!但在器官移植時就成了最致命環節,因為免疫系統會認為其是外來組織,所以對其進行趕盡殺絕!

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因此需要大量的抗排異藥物來維持,但抗排異藥物會提高感染、癌症和高膽固醇的風險,還會加速心臟疾病、糖尿病和腎衰竭,據資料統計,肝臟移植後,5年內平均死亡率為25%,10年內的平均死亡率為35%~40%。而且移植心臟後的排異反應可能會造成腎衰竭從而必須得繼續接受腎移植!

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徹底解決排異反應:兩個解決辦法

一個是現在正在如火如荼研究的IPS幹細胞研究,比如改造體細胞成為IPS幹細胞,在動物體內長出人體器官,這種採用患者自身的細胞分裂,長出來後不會有排異反應,是一種非常理想的器官製造方法!

但問題是從2000年初到現在,出於倫理上的考慮,在動物體內分裂的IPS細胞仍然未能超過30天,而長出人體器官還遙遙無期!

另一種方法則是3D器官列印,這個技術分為如下幾步:

1、利用核磁共振取得患者器官的生物學結構;

2、分離患者器官正常細胞,並培養大量增量;

3、將細胞和特殊液態生物材質混合,保持其生存和供氧;

4、混合物質與生物墨水在3D印表機中,用患者的核磁共振生物學結構,一模一樣複製一個。

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一般因為地球重力限制,必須在列印前製造一個複雜的懸浮水凝膠(FRESH)支架,器官列印結束後可以在海藻酸鹽溶解,最終留下完整的器官!但這種技術對於製造簡單結構的器官沒問題,血管極其複雜的結構則仍然會由於重力作用而崩潰,因此在無重力狀態下列印將會省去很多準備工作!

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國際空間站實驗:成功

2020年4月,國際空間站上的太空人安德魯·摩根執行了為期272天的任務後返回地球,他在軌道上執行了一項全球矚目的任務:3D列印器官創造人體活組織!

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安德魯·摩根

摩根和克里斯蒂娜·科赫一起測試心臟樣組織厚度的列印,後來擴展到了這個人體器官的嘗試,儘管現在差距還不小,但已經能夠逐層列印出活的、有功能的人體組織!

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摩根和克里斯蒂娜·科赫

這個設備是由美國公司 Techshot 和 NScrypt 開發,2019年發射入軌,生物墨水商業化的公司Cellin的科學官Itedale Redwan稱,3D列印的人體器官將在未來10-15年內實現人體移植,早在2018年,紐卡斯爾大學的一個團隊就成功列印了人類角膜,而特拉維夫大學的一個團隊則列印了心臟部分組織,用來修補心臟缺陷。

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天宮空間站:未來3D器官列印展望

在天宮空間站上展開的9項科學研究中,其中有兩項是生物相關的科學研究:

太空腫瘤:來自個體內健康和腫瘤組織的3D類器官培養物由於空間條件導致的突變特徵研究。

微重力對致病菌生長和生物膜產生的影響。

儘管和3D列印的距離差得還不小,但未來一定將會成為天宮空間站的重要研究方向,畢竟人體器官移植的需求和市場實在是太大了,而自體器官列印移植還沒有排異性,也就是說就像自身「原裝」器官一樣,壽命和「使用年限」都和正常器官無異,這有多大的誘惑?

「天宮」空間站未來可能展開的最重要任務:3D器官列印

2018年9月底,浙江大學機械工程學院賀永教授課題組發明了一種新型生物3D列印方法,能夠操控不同種類的細胞形成特定結構的微球,進而長成具有生物活性的微組織。

「天宮」空間站未來可能展開的最重要任務:3D器官列印

而我國在3D生物列印領域也有多家先進企業,並不輸於國際先進水平,因此我們可以大膽地猜測一下,天宮空間站下一批實驗中,非常有可能出現3D生物列印的設備,我們也期待這一天的到來!

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