可以使用3D生物打印技術，直接打印器官嗎？

我們身體里有各種各樣的器官，它們大多擁有非常復雜的結構，并包含不同類型的細胞。而當某種器官嚴重受損或患病時，很可能需要進行器官移植。除了器官捐獻、異種移植等途徑外，能不能人工制造心臟、腎臟、肝、腸道等器官用于移植？

目前，似乎有一個能解決這些問題的方法，那就是近年來十分熱門研究領域——“類器官”（organoid）。究竟什么是類器官？它和真正的器官有什么區別？接下來，小編將給大家進行詳細地科普。

什么是類器官？

雖然不少人將“類器官”理解為“迷你器官”，但實際上，類器官并不能算是人體器官的迷你版。僅從外形上看，類器官就與真正的器官相去甚遠。比如右頁展示的各種類器官照片，如果不看圖片的注釋，很難能一下子猜出來它們分別模擬的是哪一種人體器官。在現有的技術水平下，類器官所含的細胞類型有限，結構也比較簡單，因此只是在一定程度上類似真正的器官。

目前，對于類器官并沒有十分嚴格和統一的定義，但主流的觀點認為，只要是“在體外培養的具有器官的一些關鍵特征的細胞團”，都可以稱為類器官。這些關鍵特征包括表達器官相似的基因，具有器官相似的結構或者細胞類型，能夠實現器官的一些功能等。比如心臟類器官就具有心臟的細胞類型，還能夠在體外跳動。

上圖是2020年，日本研究團隊利用小鼠iPS細胞制成的心臟類器官。研究人員不僅觀察到了心室和心房結構，還確認了它們具有跳動功能。

上圖是一篇2023年發表的論文中腎臟類器官的免疫熒光圖像。不同的顏色用于標記不同種類的細胞。研究團隊對比了腎臟類器官中的細胞分化情況與實際腎臟中的細胞類型。

2020年，來自瑞士的研究團隊發現肝類器官的生長對基質硬度非常敏感。通過調節基質成分，團隊成功利用原代肝細胞（直接從人類肝臟組織中分離獲得）在體外培育出人類肝臟類器官。

究竟如何在體外制造類器官？

在回答這個問題之前，我們不妨先來想一想，自己體內的器官是如何發育出來的。生命源自精子與卵子的結合。受精卵在體內迅速分裂形成胚胎，而胚胎干細胞具有分化成各種類型細胞，如骨骼細胞、血液細胞、上皮細胞、神經細胞、肌肉細胞等的能力，這些細胞最終會形成各個組織和器官。

但神奇的是，干細胞怎么知道自己應該在何時何地分化成何種特定類型的細胞呢？其實，胚胎在發育的不同階段中，會在不同的位置形成“信號中心”，分泌特定的信號因子。胚胎中任意位置的干細胞會接收臨近的各種信號因子，并根據這些信號因子的濃度水平，決定自己的分化類型。

同理，如果想在體外制造特定的類器官，也可以將具有分化潛力的干細胞團作為原料，向培養液中加入這種器官形成時的信號因子組合，模擬人體內器官發育的環境。人們按照這一思路嘗試體外培養干細胞。終于在2009年，荷蘭分子遺傳學家、細胞生物學家漢斯·克萊沃斯（Hans Clevers）團隊使用小鼠的干細胞在體外培養出具有腸隱窩-絨毛結構的腸類器官。至此，類器官作為新型研究模型正式進入人們視野。

可以使用3D生物打印技術直接打印器官嗎？

早在20世紀80年代，人們就發展出了“3D打印”的技術，按照預先設定的程序逐層堆疊特殊的“墨水”，即可得到所需的3D模型。而3D生物打印技術就是利用細胞等生物材料（“生物墨水”）打印立體結構。同前面介紹的器官芯片一樣，3D生物打印技術也是一種生物領域與工程領域的交叉技術，可以用于制造類器官。

看到這里，或許有人會認為，只要利用3D生物打印技術，就可以像搭積木一樣，把各種細胞直接“組裝”成器官，看上去比傳統的細胞自組織方式效率更高。“持這種觀點的人往往忽視了器官的復雜性。”中國科學院動物研究所再生醫學領域專家于樂謙教授強調，“一個器官發揮功能究竟需要哪些類型的細胞？這些細胞又分別位于什么位置？我們目前只能給出宏觀的答案，比如外層以一種細胞為主，內層以另一種細胞為主，但如果使用3D打印技術，就需要具有定位每一個細胞的能力。”

此外，器官內的細胞并非獨立的個體，需要通過相互交換信息來發揮作用。如果只是把各個種類的細胞按預先設計好的位置進行打印組裝，它們之間是否能正常地傳遞信息？這也是一個亟需解決的問題。例如，腎臟的細胞類型非常豐富，結構也十分復雜，一側腎臟約有100萬個腎小體，每個腎小體連接著一條腎小管。對于這樣的復雜器官，在現階段還不能直接使用3D生物打印技術直接制造。

3D打印的血管可以與大鼠血管直接連接

來源：科學世界

原標題：可以使用3D生物打印技術，直接打印器官嗎？ | 科學世界·特輯

編輯：小鹿

轉載內容僅代表作者觀點

不代表中科院物理所立場

如需轉載請聯系原公眾號