器官也能列印?移植手術新曙光

作者 | 發布日期 2015 年 07 月 12 日 0:00 | 分類 3D列印 , 醫療科技 follow us in feedly

台灣每年器官捐贈者僅約兩百人,仍有超過八千人在等候適合自己的器官出現,供需嚴重失衡。 有了 3D 列印,內臟、皮膚都可以一鍵搞定,想換哪裡就印哪裡嗎?



只要七小時,醫生就可以「列印」出腎臟。不用洗腎、不必排隊等捐贈,器官移植就靠 3D 列印,一鍵搞定?

2011 年,美國威克林大學(Wake Forest)再生醫學研究中心主任阿塔拉(Anthony Atala)一場 TED 演講,開啟 3D 列印的新想像。

聚光燈下的阿塔拉,從助理手中接過剛完成 3D 列印的「腎臟」,獲得觀眾如雷掌聲。

腎臟,是 57 歲的阿塔拉一直放不下的堅持。

90 年代,還在哈佛醫學院念書的阿塔拉就相信,人工器官可以解決器官移植供不應求的問題。

但直到今天,美國仍有超過 12 萬人在等待器官捐贈。其中八成,等的都是腎臟,一等至少是四年半。

為了減少器官捐贈的供需落差,阿塔拉相信,未來 3D 生物列印產業會像電腦業一樣成熟分工。

從處理細胞、製作架構、組織,都有專門企業負責。醫生只要把電腦斷層結果、組織樣本寄過去,一週後就會收到印好的器官,隨時可以幫病患移植。

阿塔拉的夢想還沒完全實現,但已可以看見雛形。阿塔拉的 3D 列印技術,製造出的耳朵、皮膚、骨頭、肌肉,已成功移植到動物身上。

 

內臟隨你印  得先過三關

腎臟依舊是阿塔拉未能實現的夢想。3D 印表機噴頭來回堆疊七個小時後,他在演講中呈現的,仍只是看似健康,卻沒有血肉的粉紅色腎臟「架構」。

阿塔拉坦言,3D 列印器官移植,手術本身不難,「唯一要克服的技術障礙,就是確保人工組織正常運作。」

3D 列印器官要正常運作,得先通過三大考驗。

首先,要利用患者的細胞做成「生物墨水」,填入印表機噴頭。肝臟、腎臟等特定細胞,數量夠不夠、品質好不好、能不能撐過噴射堆疊過程的摧殘,這是第一關。

同時,印表機還得用「水凝膠」(hydrogel)等材質,做出器官的支架,讓細胞附著在周圍生長。支架能不能順利「消失」,把空間讓給細胞生長,也是一大關卡。

最後,即便外觀栩栩如生、材質不會對人體造成負擔,內臟構造複雜精細,一旦血管和功能無法正常運作,還是難起作用。

而沒有血管,就沒有養分。今年,哈佛大學教授路易斯(Jennifer Lewis)終於用多重噴頭突破盲點,成功印出含有血管的活體組織。

但這只是第一步。

「人類體內有數百種不同的細胞,很多都無法在商用或臨床領域找到來源,得靠幹細胞生物學或幹細胞銀行才能突破,」路易斯對《金融時報》說。

英國曼徹斯特大學材料系教授德比(Brian Derby)認為,完整器官移植困難重重,法規限制也是一大挑戰,但器官修補已經開始綻放商機。

「就像心臟病發後,會留下許多需要修補的疤痕組織,」德比說。

躺在手術台上的女孩,今年 22 歲。一種罕見疾病,讓她的頭蓋骨異常增生,從正常的 1.5 公分暴增到 5 公分。厚重的頭骨讓她頭痛欲裂,視力嚴重衰退,隨時面對死亡威脅。

歷經長達 23 小時的手術,重新換上頭蓋骨的她,終於恢復視力,也重獲新生。救命恩人不只是荷蘭醫生佛維(Bon Verweij)的巧手,還有一台 3D 印表機。

 

客製化器官  身體復元得更好

有了 3D 列印,醫生不必再用骨水泥等材質,手工打造適合病人的頭蓋骨。一台印表機就可以客製化,做出專屬病人尺寸的頭蓋骨。

佛維手握著這片 3D 列印的半圓形塑膠頭蓋骨說,「不僅美觀,病人的大腦復原狀況也比較理想。」
近年來,3D 列印已經從大人的玩具,悄悄變身為手術室裡的醫療器材。

美國透明市調公司(Transparency Market Research)研究估計,3D 列印的醫療應用市場,2012 年規模只有 3.5 億美元,但 2019 年上看 9.7 億美元,成長將近三倍。

3D 列印速度快,成本較低。3D 列印器官移植,病患不用擔心手術後免疫系統排斥反應,也可以縮短等待時間。

過去,器官移植總是漫長的等待。醫生向外部廠商訂做新器官後,不只價格昂貴,還得等上兩、三個月。成品常是固定尺寸,醫生也要先裁切,才能進行移植。

「現在只要電腦斷層掃描掃過病人身體,就可以用 3D 列印製造,精準複製適合的尺寸,」英國軟體公司 Within Technologies 事業企劃專員福克斯對《金融時報》說。

從頭蓋骨、下顎,到頸椎人工骨等,都可以交給客製化列印生產。鈦金屬、陶瓷、醫療級塑料,在 3D 印表機的噴射堆疊下,一個月內即可交貨。

對醫生而言,3D 列印也成了手術前的模擬訓練素材。

日本醫材公司 Fasotec 預計推出的「生物質地濕模型」(Biotexture Wet Model),看準的就是醫師手術前的訓練需求。

凝膠狀的合成樹脂,搭配 3D 列印出人體器官的形狀和觸感,讓醫師實際模擬手術刀移動時的感受。
東京慈惠大學教授森川利昭坦言,現行的訓練方式過於簡化,沒有精準反映人體細節。

「怎麼把這項優秀的技術轉化應用在生物學,是很緊急又重要的課題,」森川對《法新社》說。

 

迷你器官  掀起跨國商戰

3D 印表機堆出了顯微鏡下的立體世界。「迷你器官」打中了企業研發、藥物與臨床測試的需求,也點燃了生物列印的跨國商戰。

兩年前,美國第一家上市的 3D 生物列印公司「器官創新」(Organovo)宣布,列印出來的肝臟組織可以存活五天。

這個 4 毫米寬、0.5 毫米高的「迷你」活體肝臟組織,照樣能把荷爾蒙、營養、藥物成分靠著血液運送全身,功能不輸正常肝臟。

去年,器官創新以這款活體肝臟組織,改良後作為推出的第一款產品。一組 24 份,只要 30 分鐘就能列印完成,每組定價 2 千美元(約 6 萬台幣)起跳。

3D 列印的肝臟組織,對藥物反應和一般肝臟無異,吸引藥廠默克合作進行研究。但肝臟只是第一步,器官創新還要推出一系列內臟組織,瞄準各大實驗室的藥物測試需求。

除了肝臟之外,皮膚也成了全球商戰的焦點之一。

五月,全球最大美妝集團巴黎萊雅宣布與器官創新攜手合作,要用 3D 列印的皮膚組織進行測試。
幾天後,全球最大家用品製造商寶鹼(P&G)也宣布和新加坡政府合作,用補助競賽廣徵 3D 生物列印的應用想像。

在人工皮膚的戰局裡,加拿大 3D 列印公司 MaRS Innovation 也看準測試商機,要專攻大面積燒燙傷用藥療效。

「對臨床前試驗來說,生物列印的發展非常活躍。假設你有 20 種藥,有了這個新的試驗方法,在動物試驗前就可以刪到剩 5 種藥,」技術與創業發展經理謝芬妮對《金融時報》說。

被譽為「生物列印之父」的美國教授波蘭德(Thomas Boland)估計,全球至少有 80 個研究團隊,正絞盡腦汁地要印出具有部份功能的迷你皮膚、血管、肝臟、肺臟和心臟。

波蘭德與波斯沃茲共同創辦的 TeVido BioDevices,專攻 3D 列印乳頭組織,要幫乳癌術後的婦女重建乳房,今年初在群眾募資平台上,成功募到超過 3 萬美元。

3D 列印複製人體器官的路仍漫長,但百花齊放的迷你器官列印術,不僅是企業測試產品的新工具,也開啟了人類健康長壽的不同想像。

小辭典:迷你器官

雖然列印完整器官仍有難度,但許多研究團隊正在研發具有正常器官功能的細胞列印。只要具備功能,就可以用來做藥物測試,未來具有取代動物測試的潛在商機,許多企業也開始布局、擴大投資。

(本文由 天下雜誌 授權轉載)

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