可以使用3D生物打印技术，直接打印器官吗？

我们身体里有各种各样的器官，它们大多拥有非常复杂的结构，并包含不同类型的细胞。而当某种器官严重受损或患病时，很可能需要进行器官移植。除了器官捐献、异种移植等途径外，能不能人工制造心脏、肾脏、肝、肠道等器官用于移植？

目前，似乎有一个能解决这些问题的方法，那就是近年来十分热门研究领域——“类器官”（organoid）。究竟什么是类器官？它和真正的器官有什么区别？接下来，小编将给大家进行详细地科普。

什么是类器官？

虽然不少人将“类器官”理解为“迷你器官”，但实际上，类器官并不能算是人体器官的迷你版。仅从外形上看，类器官就与真正的器官相去甚远。比如右页展示的各种类器官照片，如果不看图片的注释，很难能一下子猜出来它们分别模拟的是哪一种人体器官。在现有的技术水平下，类器官所含的细胞类型有限，结构也比较简单，因此只是在一定程度上类似真正的器官。

目前，对于类器官并没有十分严格和统一的定义，但主流的观点认为，只要是“在体外培养的具有器官的一些关键特征的细胞团”，都可以称为类器官。这些关键特征包括表达器官相似的基因，具有器官相似的结构或者细胞类型，能够实现器官的一些功能等。比如心脏类器官就具有心脏的细胞类型，还能够在体外跳动。

上图是2020年，日本研究团队利用小鼠iPS细胞制成的心脏类器官。研究人员不仅观察到了心室和心房结构，还确认了它们具有跳动功能。

上图是一篇2023年发表的论文中肾脏类器官的免疫荧光图像。不同的颜色用于标记不同种类的细胞。研究团队对比了肾脏类器官中的细胞分化情况与实际肾脏中的细胞类型。

2020年，来自瑞士的研究团队发现肝类器官的生长对基质硬度非常敏感。通过调节基质成分，团队成功利用原代肝细胞（直接从人类肝脏组织中分离获得）在体外培育出人类肝脏类器官。

究竟如何在体外制造类器官？

在回答这个问题之前，我们不妨先来想一想，自己体内的器官是如何发育出来的。生命源自精子与卵子的结合。受精卵在体内迅速分裂形成胚胎，而胚胎干细胞具有分化成各种类型细胞，如骨骼细胞、血液细胞、上皮细胞、神经细胞、肌肉细胞等的能力，这些细胞最终会形成各个组织和器官。

但神奇的是，干细胞怎么知道自己应该在何时何地分化成何种特定类型的细胞呢？其实，胚胎在发育的不同阶段中，会在不同的位置形成“信号中心”，分泌特定的信号因子。胚胎中任意位置的干细胞会接收临近的各种信号因子，并根据这些信号因子的浓度水平，决定自己的分化类型。

同理，如果想在体外制造特定的类器官，也可以将具有分化潜力的干细胞团作为原料，向培养液中加入这种器官形成时的信号因子组合，模拟人体内器官发育的环境。人们按照这一思路尝试体外培养干细胞。终于在2009年，荷兰分子遗传学家、细胞生物学家汉斯·克莱沃斯（Hans Clevers）团队使用小鼠的干细胞在体外培养出具有肠隐窝-绒毛结构的肠类器官。至此，类器官作为新型研究模型正式进入人们视野。

可以使用3D生物打印技术直接打印器官吗？

早在20世纪80年代，人们就发展出了“3D打印”的技术，按照预先设定的程序逐层堆叠特殊的“墨水”，即可得到所需的3D模型。而3D生物打印技术就是利用细胞等生物材料（“生物墨水”）打印立体结构。同前面介绍的器官芯片一样，3D生物打印技术也是一种生物领域与工程领域的交叉技术，可以用于制造类器官。

看到这里，或许有人会认为，只要利用3D生物打印技术，就可以像搭积木一样，把各种细胞直接“组装”成器官，看上去比传统的细胞自组织方式效率更高。“持这种观点的人往往忽视了器官的复杂性。”中国科学院动物研究所再生医学领域专家于乐谦教授强调，“一个器官发挥功能究竟需要哪些类型的细胞？这些细胞又分别位于什么位置？我们目前只能给出宏观的答案，比如外层以一种细胞为主，内层以另一种细胞为主，但如果使用3D打印技术，就需要具有定位每一个细胞的能力。”

此外，器官内的细胞并非独立的个体，需要通过相互交换信息来发挥作用。如果只是把各个种类的细胞按预先设计好的位置进行打印组装，它们之间是否能正常地传递信息？这也是一个亟需解决的问题。例如，肾脏的细胞类型非常丰富，结构也十分复杂，一侧肾脏约有100万个肾小体，每个肾小体连接着一条肾小管。对于这样的复杂器官，在现阶段还不能直接使用3D生物打印技术直接制造。

3D打印的血管可以与大鼠血管直接连接

来源：科学世界

原标题：可以使用3D生物打印技术，直接打印器官吗？ | 科学世界·特辑

编辑：小鹿

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