徐铭恩徐铭恩,清华大学机械工程系博士后,杭州电子科技大学生命信息与仪器工程学院教授,中国3D打印技术产业联盟副理事长,长期致力于生物3D打印、再生和移植医学领域的研究。

3D打印人体器官

2013-12-08上海
我们可能不是最早做细胞3D打印的人,但是我们绝对是最早吃3D打印制造的肉的人。
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3D打印人体器官

徐铭恩 2013-12-08

应该是傍晚了,我叫徐铭恩,来自于杭州电子科技大学。

下面由我给大家介绍一下3D打印,怎么样来做人体的器官,以及我们在这方面这些年做的一些工作。

大家看到这是一辆汽车,有发动机变速箱刹车轮子。汽车如果有个零件坏了,我们可以开到4S店去,它给你换一个零件。那我们人呢?这是我们人,我们人也有很多很多器官。我们有跟汽车发动机一样的器官,比如说我们的心脏;也有我们跟汽车后面的排气管一样的器官,比如我们的肾我们的肝脏。

那么人的器官,它会不会坏掉呢?我们来看几个图。

我们看到最上面的那个,是人的肺,人的肺大概多久时间会开始衰老呢,20年左右;在我们的右侧,是我们的心脏,心脏大概多久开始衰老呢,大概是40年左右;然后在我们的下侧是我们的肾,肾多久开始衰老呢,肾大概是50年;我们所知道的经常容易坏掉的肝,其实它衰老的时间倒是很迟,它是70年。

但是这个只是理想的状况,事实上大家知道最近PM2.5连续爆表,我们的肺,没有以前那么长时间好用了,如果长时间处在我们现在这个空气的条件下,我想20年也不要,可能15年就开始进入衰老。

我们的这些器官衰老,或者因为外力损伤之后,现在有没有办法治疗呢?现在常规的医院里面用的方法是,器官移植。但是大家知道器官移植的患者,和供体的数量比是多少吗?在我们中国是150:1。

这意味着什么?150个需要器官移植的患者,只有1个人可以等到移植的器官,其它149位就很不幸地离开这个世界了。

那么移植了器官是不是就好了呢?NO,这些移植的器官由于来自于异体,它还会受我们自体免疫系统的排斥,大概整个器官移植后的一生中,一直要服用抗免疫的抑制剂。现在移植一个肾大概要50万,你还得吃差不多50万的药。

那么有没有别的办法解决呢?克隆行不行?很多人都问我克隆行不行,这张图片来自于一部电影叫《逃出克隆岛》,这是在培养一个全的人的过程。如果你有疾病了,我们把你的一个细胞提取出来,把你的细胞核替换到一个受精卵中,然后将这个受精卵做成胚胎,然后再发育出来。

那么真的可以吗?这是克隆岛中的一个场景,这是一个人,他是某体育运动员的,在克隆岛内培养的一个替身,然后有一天这个体育运动员心脏出问题了,然后就把这个人,抓到医院里面,把他的心脏挖出来,换给他的真身。

那么这样一个个体他是不是人,他也是人,正因为如此,不管是美国英国还是我们中国,对人的克隆都是明令禁止的。目前医学上治疗性的克隆,只对什么开放呢,只对少数的几个疾病,但是那个胚胎培养不能超过十四天。

为什么不能超过十四天?因为到了十四天,胚胎的心脏就开始跳动,它的神经也开始有点发育了,这个时候胚胎已经可以当作一个生命了,他会有痛觉。所以克隆这条路现在法律上也走不通,更何况克隆这条路在技术上依旧有问题。我们所知道的多利,没活两年就去世了,那头绵羊,它会得癌症。

这是一本书,是康奈尔大学的HodLipson写的,他说3D打印技术可以解决人的组织和器官的一些制造的问题,而这个技术是未来3D打印技术,最具潜力的一个领域。很好的想法,那么能不能做呢?

这是细胞3D打印的一个生物学的基础,它的基础建立在什么上呢?这是一个实验非常有名的一个实验,我们把老鼠的动脉的血管切成一个一个环状结构,就像甜甜圈一样,然后把这些甜甜圈全部套起来,大约在72个小时后,这些甜甜圈又重新长到了一起,形成了一个有功能的,可以输送血液的血管。

那么这个实验告诉我们什么?告诉我们,假如说我们在体外用一种技术把细胞,按照它体内的结构堆积起来,它们是有可能可以形成功能性的结构的。

那么3D打印细胞,相比传统的打印技术,有什么难的地方呢?大家看左边的这张图,这是我们打印第一天的结构,右边这张图,是打印3天后的结构。

如果你们仔细看在右边的那张图中,可以看到一个一个的小圆点那个就是细胞,那么这是不是就成了呢?NO,细胞是活的,如果它活了,它一定会伸展开来。如果培养3天后它还是一个个圆球,那证明细胞在这个过程中已经损伤了。

事实上这是我们碰到的第一个难关,细胞的损伤率。我们一开始打印的过程,对细胞的损伤率几乎达到了90%以上,很多时候是100%。我刚刚做这个技术的时候几乎就绝望了,后来我们大概花了七八个月的时间,不停地做不停地做,每天换三四套实验方案,换材料换打印的参数,经过半年多以后我们终于让细胞在里面活下来了。

大家可以看跟前面那张图有什么区别,细胞一旦活下来它就会铺展开来,互相会粘结,然后把方形的孔拉成了一个圆形的孔,电子显微镜的图也可以证明这个过程。

那么是不是解决这个问题后就好了呢?我们马上碰到了一个幸福的烦恼。大家看到上面那个图,左边这个图是打印后三天的,然后我们养了大概一周后,就出现了什么情况,细胞在里面疯长,把整个结构都给填满了。

如果我们打印出一个非常好的结构,但是细胞疯长把结构全都损坏掉了,那些结构就没有意义了。

下面那个图呢,是另外一种情况,细胞长起来了但它们干了一件事情,它们怎么样?它们把那个支架给吃掉了,因为我们用来做支架的材料是对细胞有营养的物质。

然后围绕这个东西,我们又做了很久,慢慢的慢慢的,我们可以控制细胞在里面的生长,甚至可以控制细胞在里面的分化。这个就是我们大概做了一年左右的时候,可以得到的一个图、。

这是培养两周后,我们可以看到,那些绿色的地方,都是被染色的细胞膜,那些红色的点是细胞核,我们可以看到细胞在里面生长非常好,而且结构也维持下来了,我们要留下的通道在里面都有。

那么到了这一步,我们觉得,我们大概可以往下走,然后我们回到我们最原初的梦想,来做人的脏器,那么我们想做的第一个呢就是人的肝脏。我们其实在做人的肝脏这个过程,其实是一个叫做「逆向设计」的过程。

逆向设计大家也许不理解,用通俗的话来说就是「山寨」,把一个现有的产品拿过来,把它的所有东西搞清楚测完,然后围绕它,反向地去求它这个产品。

大家看右图,它是我们肝脏的基本的功能单元,我们称为肝小叶,它由什么东西构成呢,大家看中间有一个蓝色的叫中央静脉,然后有肝板有肝细胞组成,肝板肝血窦窦间隙,胆小管等等这些组成,大概多大呢,大概高2毫米宽1毫米,所有肝脏的基本的功能,都是在这一个小小的单元中实现的。

这是我们做的大概两个月的对我们打印出来的肝脏的功能的研究,它们的功能非常的稳定,在两个月的时间里基本上没有衰减。证明我们做出的肝脏,它是有肝脏的功能的,而且能够长时间的保持住。

除了肝脏以外,我们对肾脏也进行了一些尝试。一样的首先我们研究肾脏的基本的单元机构,肾脏是由肾小管肾小球组成的,肾小球负责滤出尿液,肾小管负责重吸收,我们体外重建了一个基本的结构单元,然后打印出了一个希望是有功能的一个结构,这部分工作我们还在继续进行中。

除了这个以外我们也尝试一些更有意思的,或者说更直观的一些工作,比如说这是我们打印的人的耳朵,这是用软骨细胞打印的,我们希望有一天在体外培养好了之后,可以种植到人的体内去,去修复人的耳朵的缺损。当然这个技术也可以用在别的地方,比如说整形,整形也能用。

除了来修补替换人的器官以外,我们做的这些组织器官还能够干嘛呢?

这里有几幅图,给大家讲一个事情,这是传统的药物筛选的过程,它可以建立在分子水平上,在体外构建一个抗体。抗体接上一个酶,然后用不同的化合物来试,如果这个化合物能够跟抗体结合,就会触动那个酶,然后启动一系列的生化反应,以此来确定一个药物。

一个化合物有没有药理活性,或者是在体外在平面上培养细胞,然后对细胞加一些药物来测试,然后这一步结束之后呢,我们会得到一些药物的候选物,然后再进行动物实验,到这里都很好。

但是到下一步就出问题了,虽然我们得到了很多药物候选物,我们在动物身上也得到了很多,对动物有效果的药物,但是真正可以到我们人体上有用的药物,每年能够开发出来的,非常少非常少。真正原创性的一类新药,一年大概也就不超过5个。

为什么会这样呢?首先动物跟我们人之间是有种间差异的,动物身上有作用的,未必到我们人身上有作用;动物身上无毒的,到我们身上可能就会有毒。第二呢无论是你用分子水平的筛选,还是细胞水平的筛选,它们都脱离了整体的生长环境,体内的复杂环境。

正因为考虑到这里,我们觉得如果我们用人的这些细胞,来做一个模型,体外的组织模型或者器官模型,用它来进行药物筛选,应该会比现有的药物筛选技术更为有效一点。

我们就做了一些尝试,我们瞄准了一个疾病,叫代谢综合症,也许有人没听说过这个疾病,代谢综合症包括肥胖,糖尿病,高血压高血脂,这一系列由于我们体内能量代谢出问题,而导致的疾病。

那么我们体内的能量代谢,是靠什么东西在调控的呢?大概是这三样东西,首先是我们胰腺的β细胞,胰岛内的一些细胞,然后是我们的脂肪。

有了这个理论基础,我们就在体外重建了一个,包含我们人类脂肪,和我们人类胰岛的一块体外的组织,我们用脂肪干细胞来做这个东西,然后再加上胰岛。

经过我们打印之后就形成了这么一个组织,然后我们给它长时间的用,高浓度的葡萄糖培养,或者用高脂的培养基培养,就相当于我们人不停地吃糖,不停地吃高脂肪的食物。

然后我们这块组织发生了什么事情呢?大家看下图,里面的细胞开始集聚大量的脂肪,那些红色的点都是脂肪滴,然后变成了一块脂肪组织,分泌出很多不好的脂肪的调控因子。

那是一块真正的肥肉,我们曾经有一次拿它过来,然后用一个小锅给它煎了一煎,然后吃了一下,确实是有脂肪的味道,有油煎出来。所以这是我们当年跟一个好朋友一起做的,我们当年说对我们俩是一小口,对人类来说是一大口。

真的,0708年,我们可能不是最早做细胞3D打印的人,但是我们绝对是最早,吃3D打印制造的肉的人。

那么这个是我们对这个结构做的一个检测,当然我们测了很多因子,这是比较有意思的一个图,这是我们胰岛素分泌的一个图,那么在我们这个结构内的胰岛,它分泌的这些胰岛素,在高浓度葡萄糖培养之后,它就开始降低了,而且胰岛素的分泌峰也延迟了,这跟在我们体内是一样的。

所以说我们这个结构非常好地仿真了人体内的真实情况。我们用这个模型筛选了好多化合物,也得到了三个非常有前途的候选药物。

除了这个以外,我们也做一些非活性的,没有细胞的生物支架的打印,这是我们做的一个人工的组织修复支架,从CT图得到三维的模型,再用软件进行一个有限元的分析,然后呢指挥我们的3D打印机,打印一些生物相容性的材料,它可以形成我们的下颌骨,我们的骨头,我们的血管等等这些。

这是我们这些结构的电子显微镜的图像,其中有一个是我们的动物实验。大家可以看到那个红色的,看到我们每一个设计好的孔的内部,都长进去了血管,这在临床上在进行组织修复的时候,是非常重要的非常有用的。所以我记得那个医生第一次看到这个结果的时候,还拥抱了我一下。

除了这些工作以外,我们也在尝试一些更有意思的工作。我们在想,能不能把细胞打印到芯片上,然后让细胞和芯片之间,建立信号的传导。我们就设计了一块芯片,上面有不同的传感器,有的传感器可以感受细胞的生长,有的传感器可以感受细胞的动作链位,等等这些。

然后我们把这个芯片封装,在上面打印上不同的细胞,最后我们对这个芯片上的细胞进行检测。我们发觉,我们能够检测到那些打印的细胞的功能,或者说它们的活性。我们用这个芯片,当然还是做了一件事情,用它来进行药物筛选,也是筛出了一些很有前途的抗肿瘤的药物。

当然这个技术如果再继续发展下去,会到什么程度?这是我在中国美院的一个好朋友做的一个图、也许有一天我们可以用3D打印的技术,做出人工的人造的感受器官来,比如说我们的眼睛鼻子。

然后呢我们还研究清楚了,细胞和芯片之间是怎么传输信号的,也许有一天我们真的可以这样,你的一个器官可以通过一个接口,插到你的大脑上去,当然这是一个狂想。

Google成立了一家非常疯狂的新公司,它的希望是,通过这家公司的一些研究来挑战死亡。LarryPage有些话,他说细胞的3D打印,还有现在的叫细胞重编程,这些技术在未来是有可能可以攻克死亡的。

Google的技术总监,甚至有一个更疯狂的一种说法,他说人类已经到了永生的边缘。未来二三十年开发的技术,可以让你再多活二三十年,而这多活的二三十年,又有新技术出来可以再让你活得长一点。

有没有道理我们觉得也有道理,但是也是一家之言。但是我们有一点觉得,通过研究3D打印,一定可以延长人类的寿命。至于会不会永生,这个要再讨论。

最后给大家分享,这是一段诗叫做

活在这珍贵的人间,太阳强烈水波温柔

这是海子的一段诗,活着是一件很美好的事情,可以感受很多东西,经历很多事情,这也是我们工作最大的热情的来源。希望我们所做的事情,在未来有一天能够让自己,让家人让很多很多不认识的人,可以活得更健康一点,活得更长一点,谢谢大家。