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科幻变现实:喷下即疗愈,生物3D打印绘就生命密码图

igoseo.net   2022年03月22日

  最近,因为3·15新闻的曝光,大家最不想看到的食物就是酸菜了,下头到让人甚至有点PTSD。看到什么十几道古法晾晒工序,眼前浮现的是一双双大脚板特殊腌制。涉及到酸菜系列的各种食物,泡面,酸菜鱼等都惨遭荼毒,牵连了许多企业。但清奇的是,在大部分方便面企业受损的时期,白象方便面却意外火了,并且卖断了货。

  而大家突然对白象的关注,则源于一则短视频的爆料:白象三分之一的员工来自于残疾人。在一众泡面企业中,白象方便面占据的市场份额并不高,竟然还招收了三分之一的残疾员工,将社会责任真正覆盖到最需要的人群中,这样的价值也被无数消费者认同,也无怪乎大家又开始了野性消费。

  据世卫组织2021年11月的数据,全球超过10亿人口患有残疾,而随着人口趋势和慢性疾病患者增多的趋势,残疾人的数量也在逐年增加。而在新冠疫情风行的这几年,残疾人的生活更是大大受到影响,这一弱势群体因为话语权的有限,也一直处于被忽视的状态。因为国内残障基础设施以及观念的原因,残疾人的日常生活非常艰难,冷遇和歧视无处不在,更别说参与到社会价值的链条中去贡献了。

  据中国残联数据,早在2010年,中国残疾人的数量就突破了8500万。而现在,这个数量更加庞大,据估算数量超过一亿,他们面对的是比我们还要困难的处境。在这些人群中,先天的残疾只是一部分,后天的残疾比比皆是。残疾病症中,有失聪失明的,有瘫痪失语的,有各种功能障碍的。无论是哪种残疾,在日常生活中,都面临许多的挑战。科学技术的发展,生物医疗领域的不断地进步,为一些残疾的诊治带来了突破。近日一项关于瘫痪的治疗方案,给数百万瘫痪人群带来了福音。

  解放肢体自由

  大家是否还记得这些惊悚的新闻:有在蹦床公园娱乐玩耍时,摔倒导致脊柱受伤瘫痪的,也有在学习舞蹈的时候,因为下腰姿势而损伤脊柱导致下半身瘫痪的。在现实生活中,意外摔伤,交通事故,不当的运动等都会面临截瘫的风险,影响生活质量。

  据悉,世界上有数百万的人因脊柱受伤而瘫痪,神经细胞破坏,神经纤维断裂,脊髓横断等患者,目前仍然没有有效的治疗方案。一旦瘫痪,就意味着一生被禁锢在轮椅中,想想都觉得很压抑。

  而新型的疗法以3D生物打印组织来进行脊髓损伤的治疗,给脊髓损伤的人带来了希望。这种新的疗法在动物试验中,可以让100%的早期瘫痪小鼠以及80%的长期瘫痪小鼠恢复行走能力。

  这个新型疗法来自于科学家与再生医学公司的合作,以色列特拉维夫大学 Sagol 再生生物技术中心的 Tal Dvir 博士带领的研究团队与以色列再生医学公司 Matricelf 协同,开发的3D 打印脊髓组织植入物,可以有效修护断裂的脊柱。

  在瘫痪小鼠试验中,新型 3D 打印脊髓组织植入物可以快速修复小鼠受损脊柱,最终使它们恢复行走能力。这也是全球第一个组织工程植入物在长期瘫痪动物模型中恢复运动能力的实例,这个成功的模型试验也是人类瘫痪治疗最相关的模型,为脊髓损伤的人群提供了可以站立生活的新可能。

  在连接受伤的脊髓方式中,研究人员曾提出过多种方法,例如在急性损伤期将不同类型的细胞或生物材料移植到受损部位,包括神经干细胞,神经祖细胞等多种细胞移植疗法都曾进行过测试。

  然而,试验结果不尽理想,要么出现因为同种异体细胞或异体细胞引发的免疫排斥反应,要么就是这些移植后的细胞不能成功形成功能网络导致移植失败。

  3D 生物打印技术,可以同时打印患者的细胞和细胞外基质,从而生产活的组织和器官。研究人员利用提取的细胞外基质,生产一种个性化的水凝胶,这种凝胶植入后不会引发免疫排斥反应。将培养好的干细胞封装在水凝胶中,可以模拟脊髓胚胎发育过程,随后变成包含运动神经元的 3D 神经网络植入物。

  在对比试验中,研究人员将新型 3D 神经网络植入物植入受体小鼠后,可以快速修复瘫痪小鼠的受损脊柱。最终,所有接受移植的急性瘫痪小鼠均恢复了行走能力,而长期瘫痪小鼠模型中也有80%的小鼠恢复了行走能力。

  用3D 生物打印技术,可以打印治愈瘫痪的脊髓组织移植物,使失去行走能力的生物获得重新行走的能力,这个突破也无疑让脊髓再生医学的进步向前迈了一大步。

  有关这个技术在人体的应用,据悉Matricelf 公司现在正在和美国 FDA 进行积极沟通,准备在 2024 年底之前通过其 3D 打印脊髓植入物进入人体试验。而人类距离治愈瘫痪可能只有几年的时间。想一下,再过几年,可以有数百万的人群受益于这个技术重新获得肢体的自由,令人期待。

  对于人体而言,组织损伤和退化是普遍现象。然而,在一些严重的创伤面前,人体再生能力无法应对且无法实现自愈,运用3D 打印生物组织技术,也可以对一些组织和器官等移植带来新的解决思路。

  多领域的“开花”突破

  得益于组织工程和再生医学领域的飞速发展,3D 生物打印技术目前是医学组织工程领域中最先进的技术之一,包含了材料科学与生物科技领域中最先进的技术,已经被用于制造被替换和修复受损的组织和简单的器官。

  3D 生物打印技术与普通的 3D 打印技术类似,均是以自上而下,逐层构建的方法生成复杂且精确的立体结构。不同的是,3D 生物打印技术的最终目的是要逐层构建组织或器官。

  对于3D 生物打印技术来说,其技术的关键是设计打印器官的模型与选择生物墨水。拿生物墨水来说,它通常是由生物材料,细胞等其他必需成分组成的复合材料。由于该技术可研究用于制造功能性的人体组织或器官,如心脏,肝脏,皮肤,骨骼等。因此,实现并维持生物墨水材料的活性和功能是该技术的关键所在。

(3D 打印全血管化的mini人类心脏)

  在器官移植和组织移植方面,有 3D 器官打印技术, iPSC 技术和异种器官移植等解决方案,这些不同的解决方案各有优劣,用于解决不同的移植与治疗需求。相比较而言,3D器官打印需要解决生物墨水的限制,异种器官移植仍待解决免疫排斥和动物内源性病毒的问题,而 iPSC 技术尚难以实现器官构建。这些方案与技术在各自适配的领域内并行发展,都在解决器官移植供体资源不足的问题。

  在实际的临床应用中,3D生物打印技术也有许多新的突破。近日,国内上海九院骨科团队首创了一种新型3D生物材料打印技术,通过提取患者本身的细胞来仿真打印其需要植入的骨骼材料。打印完的骨骼材料会被移植进入人体,骨细胞会发挥骨融合效应,生长恢复得更加快速高效。据称,此项技术截至目前在全球范围内进行了3次临床手术,且均在上海九院。

  除了在医疗领域的临床应用,3D打印技术还可以应用于医学领域的药物试验,外科培训和环境保护中。

  一家来自美国的安东尼-阿塔拉的研究所用3D打印技术开发了一种新的生物组织,可以测试药物的毒性,并且这个技术也应用在了测试对抗新冠病毒的药物毒性的研究试验中。

  在环保的场景中,有研究人员尝试了采用3D生物打印技术来制造仿生3D打印珊瑚,作为珊瑚启发生物材料的新工具,可以在藻类生物技术,珊瑚礁保护和珊瑚-藻类共生研究中找到用途。

  无论是临床医学还是超出组织工程和再生医学的范畴,3D生物打印技术的应用在这些领域中都在尝试开启新的大门,将此前研究缓慢,停滞的领域续接上新的机遇与可能。

  下一站:“打印”生命

  我们可以看到,在过去的二十年里,许多生物3D打印技术已经被开发出来,被应用于众多生物医学领域,包括组织工程,疾病模型和药物筛选等。尽管如此,大多数生物3D生物打印技术与临床和转化应用还有相当长的距离,面临着许多的障碍。

  1.核心技术本身的限制。从器官组织模型到生物墨水原材料等,需要整个系统技术的提升,如生物墨水组织的保质期问题,受到微环境与温度等各种条件的限制影响,单个打印技术的突破,无法支撑3D生物打印技术的临床转换与应用。

  2.政策与监管条例的补充与细化。对于3D生物打印技术的临床应用中,缺乏有效的监管政策,来保障医护与研究人员的临床应用环境,对于这种涉及个性化医疗的产品,需要广泛的讨论与征求意见,保护创新与应用的土壤。

  3.临床应用医护与患者理念的转变。3D生物打印技术在临床的应用意味着个性化医疗,这也对医护和患者的理念提出了要求,需要双方以开放的心态去接纳新型的医疗产品器械。个性化的医疗对于医护与患者来说比标准化的医疗面临的风险与承担的责任要多很多。

  整体来说,这些限制虽然阻碍了3D生物打印技术的规模化应用,但在生物医学应用方面,3D生物打印技术也奋力迈入了新的阶段,并且取得了不错的进展。比如在大尺度组织和器官的打印,疾病模型的建立,微生理系统和器官芯片的构建,生物机器人和太空生物打印等。

  例如大尺度组织的打印技术方面,原位生物打印方案可以直接在受伤部位 3D 打印组织。

  有研究团队已经在人体胃的生物模型中使用设备进行测试,验证了其在生物打印活细胞和修复伤口方面的有效性,该技术或将在未来用于治疗胃壁损伤。在未来,直接扫描伤口并喷洒“生物墨水”就能修复破损的组织,电影中未来人的医疗技术要实现了。

  不过这个炫酷的前沿技术不是单领域的孤军奋战,涉及到材料,化学,药物,生物等各领域,需要这些领域的协同研发深耕,才能走得更远。一旦成功规模化应用,将会在健康领域作出前所未有的贡献。

  提高生命质量,延缓衰老是人类在生命科学领域的研究主旋律,随着全面老龄化时代的加速,器官,组织的病变与衰老将会是医疗领域的重灾区。而以3D生物打印为基础的生物技术变革,可以为我们的生活带来一些新的可能。无论是瘫痪人群的肢体自由解放,还是病变组织,器官的治疗与更换,都让我们面对不可控的未来有了些许的自信与底气。

  不过,实现生活质量的提高与寿命延长,除了平时健康的生活方式外,也得多多攒钱,才能买得起高精尖的医疗服务。毕竟木有钱的话,一切免谈,还是好好埋头搬砖吧。

(文章来源:脑极体 作者:燕良)

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