生物打印

你知道嗎？3D打印人體器官的最佳地點其實是在太空。2019年，科學家為國際空間站開發了一臺“3D生物制造設備”（3D BioFabrication Facility，簡稱BFF）。這是世界上第一臺能夠在太空中制造人體組織的3D打印機，于2019年7月搭載SpaceX公司的貨運飛船到達國際空間站。在無重力條件下打印人體組織聽起來很酷，但科學家們為什么會做這樣的嘗試呢？

我們的身體有78個器官，它們和諧地工作，使我們每一天、每一年都能維持正常的生理功能。然而，總是會有那么一天，我們的某個身體組件可能會失靈或損壞，無法再保持健康的狀態。我們有時可以通過藥物或手術來修復，有時則無法保留原有的器官，更換便成為唯一的解決方案。這些受損或功能失調的器官會被捐獻者提供的健康器官所取代。

然而，一個可悲的事實是，有太多的病人需要器官，而沒有足夠的器官捐贈者。器官短缺是一個世界性的大問題。僅在美國，就有超過10萬人在等待器官移植。即使有可用的器官，供者的血型也可能與受者的血型不匹配。這是一個絕對必要的條件，因為血型不匹配對接受移植者來說可能是致命的。更糟糕的是，有時器官可能在運輸途中丟失，或不能及時送到預期患者手中。

為了解決這些非常現實的問題，科學家正在嘗試3D打印生物組織。

打印活組織

生物打印是3D打印技術的形式之一，更確切地說，便是打印活組織。生物墨水由干細胞和供其生長的營養物質組成，在打印時被一層又一層地添加到支架上。為什么用干細胞？因為它們可以變成任意類型的細胞。在生物打印過程完成后，器官將被放置在生物反應器中，在那里進一步成熟，形成一個功能正常的器官。

在《碟中諜》系列電影中，IMF小組也使用了同樣的技術來打印面罩。但事實上，這項技術還沒有電影中呈現的那么先進。

生活在地球上的所有生命都受到重力的作用，無論你是像藍鯨一樣大，還是像病毒粒子一樣小，重力的影響無處不在。這種影響甚至可以到達細胞水平。對細胞而言，重力其實非常重要，因為它指導著氧氣和營養物質在細胞內的流動和分配。

不過，地球的重力也給生物打印帶來了兩個問題。

首先，重力使細胞層變平。在組織培養設備中，細胞通常在組織培養瓶中培養。這些瓶子里裝滿了營養豐富、供細胞生長所用的液體培養基，使科學家可以在沒有動物倫理問題的情況下進行生命實驗。然而，這些燒瓶中的細胞會在容器底部形成扁平層。在細胞和組織生長的過程中，重力會使它們壓縮，迫使它們再層疊形成扁平的二維層。這并不是器官自然發育的方式。

在體內，生物組織的形成是三維的。即將成為器官的特定細胞會受到人體獨特環境的引導，這種獨特環境，便是一個被稱為“細胞外基質”的蛋白質結構網。隨著這個基質的形成，器官的其他細胞也會生長和成熟;而在器官發育的過程中，這個基質會把所有的東西固定在一起。然而，在塑料培養容器內，沒有體內的多種相互作用，細胞無法形成功能齊全、結構相似的器官。

這就引出了第二個問題。

“腳手架”的重要性

生物打印需要支架。在沒有細胞外基質的情況下，支架可以充當模具，使最初的細胞層能夠正確地自我成形，并為器官提供結構支撐。打印柔軟細膩的組織（如毛細血管）是一項巨大的挑戰，因為在這些地方使用支架是不可能的。如果沒有這種支架，用于打印這些軟組織的細胞很容易在自身重力的作用下崩塌。那么，如何才能不用這些支架呢？

研究人員絞盡腦汁，希望找到一種不用支架來制造微小組織的方法。到了20世紀70年代，美國國家航空航天局（NASA）約翰遜航天中心的研究人員想到，可以利用太空來解決這個問題。他們假設，如果細胞可以在沒有地球重力的情況下生長，那它們就不會沉降到培養容器的底部;相反，飄浮在微重力環境中的細胞可能會以類似于體內發生的方式組裝成器官。

為了驗證這一假設，美國國家航空航天局開發了滾筒式生物反應器（Rotating Wall Vessel，簡稱RWV），一種用來模擬微重力的培養容器。事實證明，研究人員是對的！在微重力條件下培養的細胞不會形成二維層，并且能在沒有支架的情況下保持理想的形狀。然而，大規模應用表明，這種技術相當冗長和昂貴。一個更簡單的選擇是將生物打印技術轉移到太空。

在距離地球表面400公里的地方，也就是國際空間站所在的位置，重力明顯減弱。事實上，那里的重力是如此微弱，以至于物體看起來都沒有重量，飄浮在太空中。這種微弱的重力稱為“微重力”。同樣的細胞在地球上進行生物打印時，只能形成塌陷的軟組織，但在微重力下卻能保持正常的形狀。因此，在國際空間站上，生物打印復雜和脆弱的組織變得容易得多。

太空打印實驗

肌肉是一個比其他復雜人體器官（如腎臟）簡單得多的開始。比這更加簡單的可能是在微重力環境下生物打印牛排。一家公司也這么認為。2019年9月，以色列食品技術公司Aleph Farms決定與俄羅斯和美國合作，試驗在太空打印牛肉的可行性。他們將牛干細胞送入太空，并成功進行了肌肉組織的生物打印。

不過，沒有人知道這種肉的味道如何。這個實驗最終證明了在太空中打印生物組織是可行的。也許有一天，生物打印不僅能為宇航員提供一種方便的替代食物，而且還會作為一種更可持續的方式，滿足世界上對牛肉的需求，而不會造成畜牧業的高環境成本。

除了肉類生物打印以外，研究人員還在太空中進行了器官打印實驗。他們的計劃是在太空中打印出甲狀腺和軟骨組織。

這些器官可能在太空中打印得更好，但你可能想知道，它們被帶回地球后會如何。事實上，重力的增加確實會對這些生物打印的組織結構施加很大的物理壓力。

Techshot是一家與美國國家航空航天局合作設計BFF的公司，開發了一種細胞培養系統，可以使組織變硬，使其在一定程度上抵抗重力的影響。活組織的生物打印可以在一天內完成，然后放置在這個系統中，進行12到45天的強化。經過這一成熟過程，新的生物打印組織會變得更健康，功能更強，更有活力，能夠承受返回地球的旅程。

此前在太空實驗中生物打印的甲狀腺和軟骨組織將被運回地球，進行進一步的測試。研究人員將觀察這些器官和組織的內部結構，并了解空間運輸對它們的影響。目前，我們仍在等待結果。

與生命中的所有事情一樣，在地球以外培育器官和組織也存在一定的風險。細胞在微重力環境下生長時，無論是在地球上還是在太空中，都會發生基因表達的改變。操縱和修改干細胞本身就增加了癌變的可能性。毫無疑問，操作生命體從來不是一件簡單的事情！

遠距離太空旅行和行星探索是人類一直以來的夢想，而成功完成生物打印項目對實現這一夢想至關重要。據估計，單程前往火星就需要500天左右。如果宇航員在那段時間內發生緊急醫療事故，很可能就無法返回并導致任務中止。因此，用于再生醫學目的的生物打印對于長期太空旅行的宇航員來說至關重要。

在地球上，如果一切順利的話，在太空中對器官進行生物打印有可能結束需要器官移植者的漫長等待。這項技術還可能消除器官排斥的巨大風險，因為生物打印器官可以使用病人自己的細胞。當然，我們也必須考慮可能的致癌副作用，但總體而言，在太空中打印器官，用人體自身的細胞按需生長，是一個比目前現實情況更好的選擇。

◎ 來源|新浪科技