3D打印气管给予婴儿第二次生命

张文韬/编译

3D打印气管给予婴儿第二次生命

张文韬/编译

● 有弹性的、可伸缩的3D打印气管可以帮助婴儿呼吸，或许这预示着未来人体的任何部分都可以按需求打印。

刚出生六周的卡伊巴·吉恩弗里多（Kaiba Gionfriddo），突然在一个餐馆里停止了呼吸，全身皮肤顿成青紫色。父母马上送他去医院救治，才得知是先前未发现的出生缺陷所致——患儿的左侧支气管已经软化塌陷。接下来的几周中，不能呼吸的情况反复发生，甚至发展到一天一次，严重威胁着生命。不过，医生和研究人员通过尖端的生物工程材料打印出的3D合成气管，保证了患儿的呼吸道畅通：卡伊巴在2012年1月接受了手术，至今再没有出现呼吸困难的情况。

量身定制

密歇根大学的耳鼻喉专家格伦·格林（Glenn Green）参与了这个装置的制作。他说，气管的构造实际上很像一个吸尘器软管。人的气管是由20圈连和形成骨骼、软骨和脂肪的间充质干细胞。这些细胞自行组装，逐渐长成球状的细胞簇，就如同肝脏在人类胚胎中的最初期发育一样。

“这是发育生物学的新纪元，”费城宾夕法尼亚大学从事再生医学和肝脏发育研究的肯尼斯·扎雷特(KennethZaret)说，“通过重建那些已知的、自然情况下肝脏发育中的重要细胞的相互作用，科学家们得到了强大、成熟的组织。”

武部贵则说该项目始于一个意想不到的现象。为了找到使肝脏组织血管化的方法，他尝试把多种细胞联合培养，并由此注意到它们形成的三维结构。从此，制造“肝芽”的过程就是几百次调整参数的尝试，如细胞成熟度和不同细胞的比率。

这一手段是介于目前再生医学领域中常用的两种策略之间。简单来说，针对膀胱和气管等中空的器官，研究人员会采用支架填充细胞的方法，将整个人造器官移植到患者体内。而对于其他器官的移植研究，他们也进行了功能细胞的纯培养实验，希望能将这些细胞注入患者体内，与后者需要修复的器官融合并自行生长。埃文斯说，即使细胞在实验室中生长良好，但在植入过程或会对其造成伤害，影响细胞功能。

扎雷特认为，“肝芽”的成功对中间手段是一种鼓励。“大致来说，我们把细胞放在特定空间里，通过细胞之间的通讯，最终形成器官。”

来自于干细胞的自组织结构在其他器官系统中已被观察到，如视杯——眼结构发育的早期阶段。从单一的人类干细胞发育而来的“迷你消化道”也已在培养基中生长。

武部贵则坚信，自组织方法可能也适用于别的器官，比如肺、胰腺或肾脏。接肌肉和结缔组织的软骨组成，从喉结一直延伸到胸骨，随后，分支成两个支气管，分别连接左右肺。每次吸气，肺部吸满空气而膨胀，同样的，强健而有弹性的气管会变宽变长。

[资料来源：Nature][责任编辑：则 鸣]

大部分婴儿出生后，气管的软骨支撑性能良好，呼吸道通畅。由于某种原因，有些婴儿的部分气管松软塌陷，阻塞空气进入肺部，概率约为1/2100。这种疾病被称为气管软化，治疗手段包括密切监视其感冒或呼吸道感染症状，有些需要呼吸机保持气管畅通或进行手术，直到危险过去。通常的外科治疗方法是使用支架来支撑气管，但这种方法会刺激气管，纽约蒙特菲奥里医学中心的小儿耳鼻喉科主任约翰·班特（JohnBent）说。另一种方法是，医生取下患儿的一片肋骨，用于固定气管，就像夹板一样。“但是那样气管的形状会不正常，”他说，也不能有正常的扩张收缩能力。

还有一些未知的原因，有些病例会非常严重。包括卡伊巴在内，即使接受了治疗，还是难以保证呼吸畅通。

鉴于上述原因，卡伊巴的医生联系了格林及其同事，当时他们正在构建的新设备，可能对卡伊巴的病情有帮助。长久以来，研究人员一直在设法帮助那些呼吸困难的婴儿。通常的做法是设计一个套管，包裹在软塌的气管（或支气管）外部，以保持呼吸道通畅。然而，每个人的呼吸道都是独一无二的，单一普适的方案难以解决所有问题，格林等人为此打算用3D打印技术为卡伊巴量身定做一套气管。

3D打印机与普通喷墨打印机的工作原理相似，只是改变了喷墨材料的结构。喷头根据数字建模添加每一层材料，最后得到三维结构原型。3D打印机在生物工程研究中，已经打印出了人造耳朵，实验鼠也接受了3D打印的椎间盘和骨头移植。然而，要想打印出完全具备生物学功能的人体器官组织还有太多的困难有待攻克。

比较而言，人造气管还是适于用3D打印的方法来解决——缘于这种器官的脊管状结构相比其他的组织器官较为简单。通过在小猪身上进行的实验后，格林研究小组认为该方案是可行的。小组成员斯科特·霍利斯特（ScottHollister）教授负责套管设计（套在病变气管外面），既要考虑气管发育过程中的膨胀，又要防止内向痉挛，导致呼吸困难。

再造器官

根据卡伊巴呼吸道的计算机断层扫描 （CT）图像，以此为基础，研究小组运用3D打印机构建与卡伊巴塌陷支气管形状相同的模型。经过多次试验，首先打印出外管套，最终创建了一个完美的组合。下一步是把卡伊巴的支气管组织缝合在套筒的内部。在获经美国食品和药物管理局（FDA）紧急批准后，研究小组进行了人工套管植入手术。“当我们把‘夹板’缝合后，我们第一次看到了他的肺部活动。”格林说。随着卡伊巴的生长发育，植入的人工套管会相应的膨胀。

用于气管打印的材料是生物相容的聚己内酯塑料：加热这些塑料粉末，直到其熔化打印成型（可以挤压成糊状物）。待3D器官植入体内几年后，外套管会自行溶解，相同材料制成的缝合线也会溶解，届时，卡伊巴的支气管应该生长到足够的强健，可以正常的呼吸。

卡伊巴是科学家第一次把3D打印模型植入患者体内的成功案例，意在帮助患者的组织重建。5月22日，研究小组在《新英格兰医学杂志》上报告了这起案例。

堪萨斯州大学医学院耳鼻喉科副教授罗伯特·韦德里（RobertWeatherly）说：“有些疾病目前还没有有效的治疗方法，这是一个很不错的创举。”尽管他没有参与这项研究。他指出，该方法不同于组织工程疗法，因为卡伊巴的支气管组织实际是存在的，只是不能正常运作。而3D人工套管的作用在于支撑这一“欠发达”组织。如果该组织不存在，医生就需要重建组织。

在最近的一个病例里，一个小姑娘气管缺失，医生们就制作了一条源于孩子自身干细胞的塑料气管，然后再移植到她体内。与卡伊巴不同，当她长大后，她需要更大的再造气管。

为使该技术更完善有效，接下来的关键在于临床试验的同时，还必须在一段较长的时间跟踪植入3D模型的患者情况。

3D打印的器官模型使用目前尚处于起步阶段。从趋势上看，3D打印的软骨和骨骼将会第一批广泛使用。格林说，3D打印器官未来有着“巨大的潜力”。

[资料来源：Nature][责任编辑：则 鸣]