張文韜/編譯

3D打印氣管給予嬰兒第二次生命

張文韜/編譯

● 有彈性的、可伸縮的3D打印氣管可以幫助嬰兒呼吸，或許這預(yù)示著未來人體的任何部分都可以按需求打印。

剛出生六周的卡伊巴·吉恩弗里多（Kaiba Gionfriddo），突然在一個餐館里停止了呼吸，全身皮膚頓成青紫色。父母馬上送他去醫(yī)院救治，才得知是先前未發(fā)現(xiàn)的出生缺陷所致——患兒的左側(cè)支氣管已經(jīng)軟化塌陷。接下來的幾周中，不能呼吸的情況反復(fù)發(fā)生，甚至發(fā)展到一天一次，嚴(yán)重威脅著生命。不過，醫(yī)生和研究人員通過尖端的生物工程材料打印出的3D合成氣管，保證了患兒的呼吸道暢通：卡伊巴在2012年1月接受了手術(shù)，至今再沒有出現(xiàn)呼吸困難的情況。

量身定制

密歇根大學(xué)的耳鼻喉專家格倫·格林（Glenn Green）參與了這個裝置的制作。他說，氣管的構(gòu)造實(shí)際上很像一個吸塵器軟管。人的氣管是由20圈連和形成骨骼、軟骨和脂肪的間充質(zhì)干細(xì)胞。這些細(xì)胞自行組裝，逐漸長成球狀的細(xì)胞簇，就如同肝臟在人類胚胎中的最初期發(fā)育一樣。

“這是發(fā)育生物學(xué)的新紀(jì)元，”費(fèi)城賓夕法尼亞大學(xué)從事再生醫(yī)學(xué)和肝臟發(fā)育研究的肯尼斯·扎雷特(KennethZaret)說，“通過重建那些已知的、自然情況下肝臟發(fā)育中的重要細(xì)胞的相互作用，科學(xué)家們得到了強(qiáng)大、成熟的組織。”

武部貴則說該項(xiàng)目始于一個意想不到的現(xiàn)象。為了找到使肝臟組織血管化的方法，他嘗試把多種細(xì)胞聯(lián)合培養(yǎng)，并由此注意到它們形成的三維結(jié)構(gòu)。從此，制造“肝芽”的過程就是幾百次調(diào)整參數(shù)的嘗試，如細(xì)胞成熟度和不同細(xì)胞的比率。

這一手段是介于目前再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中常用的兩種策略之間。簡單來說，針對膀胱和氣管等中空的器官，研究人員會采用支架填充細(xì)胞的方法，將整個人造器官移植到患者體內(nèi)。而對于其他器官的移植研究，他們也進(jìn)行了功能細(xì)胞的純培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，希望能將這些細(xì)胞注入患者體內(nèi)，與后者需要修復(fù)的器官融合并自行生長。埃文斯說，即使細(xì)胞在實(shí)驗(yàn)室中生長良好，但在植入過程或會對其造成傷害，影響細(xì)胞功能。

扎雷特認(rèn)為，“肝芽”的成功對中間手段是一種鼓勵。“大致來說，我們把細(xì)胞放在特定空間里，通過細(xì)胞之間的通訊，最終形成器官?！?/p>

來自于干細(xì)胞的自組織結(jié)構(gòu)在其他器官系統(tǒng)中已被觀察到，如視杯——眼結(jié)構(gòu)發(fā)育的早期階段。從單一的人類干細(xì)胞發(fā)育而來的“迷你消化道”也已在培養(yǎng)基中生長。

武部貴則堅(jiān)信，自組織方法可能也適用于別的器官，比如肺、胰腺或腎臟。接肌肉和結(jié)締組織的軟骨組成，從喉結(jié)一直延伸到胸骨，隨后，分支成兩個支氣管，分別連接左右肺。每次吸氣，肺部吸滿空氣而膨脹，同樣的，強(qiáng)健而有彈性的氣管會變寬變長。

[資料來源：Nature][責(zé)任編輯：則 鳴]

大部分嬰兒出生后，氣管的軟骨支撐性能良好，呼吸道通暢。由于某種原因，有些嬰兒的部分氣管松軟塌陷，阻塞空氣進(jìn)入肺部，概率約為1/2100。這種疾病被稱為氣管軟化，治療手段包括密切監(jiān)視其感冒或呼吸道感染癥狀，有些需要呼吸機(jī)保持氣管暢通或進(jìn)行手術(shù)，直到危險過去。通常的外科治療方法是使用支架來支撐氣管，但這種方法會刺激氣管，紐約蒙特菲奧里醫(yī)學(xué)中心的小兒耳鼻喉科主任約翰·班特（JohnBent）說。另一種方法是，醫(yī)生取下患兒的一片肋骨，用于固定氣管，就像夾板一樣。“但是那樣氣管的形狀會不正常，”他說，也不能有正常的擴(kuò)張收縮能力。

還有一些未知的原因，有些病例會非常嚴(yán)重。包括卡伊巴在內(nèi)，即使接受了治療，還是難以保證呼吸暢通。

鑒于上述原因，卡伊巴的醫(yī)生聯(lián)系了格林及其同事，當(dāng)時他們正在構(gòu)建的新設(shè)備，可能對卡伊巴的病情有幫助。長久以來，研究人員一直在設(shè)法幫助那些呼吸困難的嬰兒。通常的做法是設(shè)計(jì)一個套管，包裹在軟塌的氣管（或支氣管）外部，以保持呼吸道通暢。然而，每個人的呼吸道都是獨(dú)一無二的，單一普適的方案難以解決所有問題，格林等人為此打算用3D打印技術(shù)為卡伊巴量身定做一套氣管。

3D打印機(jī)與普通噴墨打印機(jī)的工作原理相似，只是改變了噴墨材料的結(jié)構(gòu)。噴頭根據(jù)數(shù)字建模添加每一層材料，最后得到三維結(jié)構(gòu)原型。3D打印機(jī)在生物工程研究中，已經(jīng)打印出了人造耳朵，實(shí)驗(yàn)鼠也接受了3D打印的椎間盤和骨頭移植。然而，要想打印出完全具備生物學(xué)功能的人體器官組織還有太多的困難有待攻克。

比較而言，人造氣管還是適于用3D打印的方法來解決——緣于這種器官的脊管狀結(jié)構(gòu)相比其他的組織器官較為簡單。通過在小豬身上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)后，格林研究小組認(rèn)為該方案是可行的。小組成員斯科特·霍利斯特（ScottHollister）教授負(fù)責(zé)套管設(shè)計(jì)（套在病變氣管外面），既要考慮氣管發(fā)育過程中的膨脹，又要防止內(nèi)向痙攣，導(dǎo)致呼吸困難。

再造器官

根據(jù)卡伊巴呼吸道的計(jì)算機(jī)斷層掃描 （CT）圖像，以此為基礎(chǔ)，研究小組運(yùn)用3D打印機(jī)構(gòu)建與卡伊巴塌陷支氣管形狀相同的模型。經(jīng)過多次試驗(yàn)，首先打印出外管套，最終創(chuàng)建了一個完美的組合。下一步是把卡伊巴的支氣管組織縫合在套筒的內(nèi)部。在獲經(jīng)美國食品和藥物管理局（FDA）緊急批準(zhǔn)后，研究小組進(jìn)行了人工套管植入手術(shù)?！爱?dāng)我們把‘夾板’縫合后，我們第一次看到了他的肺部活動。”格林說。隨著卡伊巴的生長發(fā)育，植入的人工套管會相應(yīng)的膨脹。

用于氣管打印的材料是生物相容的聚己內(nèi)酯塑料：加熱這些塑料粉末，直到其熔化打印成型（可以擠壓成糊狀物）。待3D器官植入體內(nèi)幾年后，外套管會自行溶解，相同材料制成的縫合線也會溶解，屆時，卡伊巴的支氣管應(yīng)該生長到足夠的強(qiáng)健，可以正常的呼吸。

卡伊巴是科學(xué)家第一次把3D打印模型植入患者體內(nèi)的成功案例，意在幫助患者的組織重建。5月22日，研究小組在《新英格蘭醫(yī)學(xué)雜志》上報(bào)告了這起案例。

堪薩斯州大學(xué)醫(yī)學(xué)院耳鼻喉科副教授羅伯特·韋德里（RobertWeatherly）說：“有些疾病目前還沒有有效的治療方法，這是一個很不錯的創(chuàng)舉?！北M管他沒有參與這項(xiàng)研究。他指出，該方法不同于組織工程療法，因?yàn)榭ㄒ涟偷闹夤芙M織實(shí)際是存在的，只是不能正常運(yùn)作。而3D人工套管的作用在于支撐這一“欠發(fā)達(dá)”組織。如果該組織不存在，醫(yī)生就需要重建組織。

在最近的一個病例里，一個小姑娘氣管缺失，醫(yī)生們就制作了一條源于孩子自身干細(xì)胞的塑料氣管，然后再移植到她體內(nèi)。與卡伊巴不同，當(dāng)她長大后，她需要更大的再造氣管。

為使該技術(shù)更完善有效，接下來的關(guān)鍵在于臨床試驗(yàn)的同時，還必須在一段較長的時間跟蹤植入3D模型的患者情況。

3D打印的器官模型使用目前尚處于起步階段。從趨勢上看，3D打印的軟骨和骨骼將會第一批廣泛使用。格林說，3D打印器官未來有著“巨大的潛力”。

[資料來源：Nature][責(zé)任編輯：則 鳴]