3D打印迎来“活体”升级

欧盟资助的研究人员开发出一种3D生物打印技术，可在实验室中培育活体骨骼、脂肪和肌肉组织，为白血病研究、培养肉等应用打开了大门。

作者：Michaela Nesvarova

大自然花费了数十亿年时间完善用活细胞来构建万物的技艺。一个研究团队正在从这一过程中学习——并设法加速这个过程。

对于格拉斯哥大学生物工程学教授Massimo Vassalli而言，目标不仅是要理解活体组织是怎么形成的，还要搞清楚怎么在实验室里把它们再造出来。

Vassalli是PRISM-LT项目的科学协调员，这个项目由欧盟资助，为期五年，将持续到2027年。该团队正在开发一个3D生物打印平台，以创建复杂的活体组织，应用范围涵盖从生物医学研究到培养肉等多个领域。

该项目的核心是一个听起来简直像科幻小说里的概念：工程化活体材料，简称ELMs。

这类材料完全或部分由活细胞制成——包括细菌或真菌等微生物——能够生长、对环境做出反应并适应环境。ELMs能自我组织、自我修复，这是传统静态材料做不到的。

“工程化活体材料可以具备额外的动态特性，这些特性是传统静态材料根本无法复制的，”瓦萨利说。

这类材料可能会改变从医疗保健到食品生产的各个行业，但要将这种潜力变为现实，意味着要解决一个棘手的生物学问题：如何将活细胞打印成复杂结构，同时不杀死它们，也不失去对其发育方式的控制。

PRISM-LT团队的解决思路是：用微小胶囊来构建活组织，胶囊里装着活细胞和一种凝胶状支架材料，也就是生物墨水。

“我们不是连续挤出生物墨水来打印，我们用的是一颗颗封装好的活性构建单元，”PRISM-LT项目协调员、总部位于意大利乌迪内的研究组织In Society首席执行官劳拉·马丁内利解释道。

“这些胶囊既可以通过机械臂精确定位，也可以逐层生物打印，来构建复杂的组织结构。”

传统方法是在连续流动的材料中打印细胞，缺少活微生物提供的生物学引导。在这里，每个胶囊都是一个生物单元，里面既有支架，也有工程化微生物，这些微生物在细胞发育过程中起到引导作用。

这些微生物经过基因工程改造，充当生物向导。它们能感知干细胞（也就是能发育成多种不同组织类型的细胞）什么时候开始转化，然后释放一种叫生长因子的化学信号，把干细胞引向需要的组织类型。

制造过程很快，快的话几分钟，慢的话一个小时。接下来的过程则较为缓慢：大约三周的成熟期，在此期间干细胞发育成骨骼、脂肪或肌肉组织。团队目前能做出一平方厘米左右的薄组织，目标是一立方厘米的块状组织。

这件事特别难的地方在于，得把本来不会待在一起的活体成分放到同一个环境里。

“我们要让两个本来不是设计来一起活的系统形成共生关系，比如酵母和干细胞，”瓦萨利说。“最大的挑战是，要创造出一种条件，既适合酵母或细菌，也适合正在分化的干细胞。”

这个项目最初就是出于对生物相互作用的好奇。“我们开展这项研究是因为我们对这种相互作用感到好奇，”瓦萨利说。“说到底，进化也是这么发生的。单细胞生物互相作用，慢慢演化成了我们今天看到的大自然。”

研究人员正致力于再造两种特定的组织类型。一个是骨髓里骨骼和脂肪组织之间的交界处，用于生物医学研究。

另一种是肌肉脂肪结构，它能复制出赋予真实肉类口感和风味的脂肪纹理，而这一直是细胞培养肉或实验室培育肉难以实现的品质。

该平台还将用于创建模拟人体器官结构的微型组织模型，这些模型可用于药物测试并支持个性化医疗。

“该项目旨在打造一个平台，能够用相同的原理来设计服务于不同目的的不同组织，”马蒂内利说。

在健康领域，重点在于构建3D骨髓模型，研究治疗白血病等骨髓相关疾病的药物。

在食品方面，实现恰当的脂肪分布对于消费者接受度至关重要。“得益于我们的生物打印技术，我们能在替代肉中做出恰当的质地，这为推向市场创造了机会，”马蒂内利说。

这项技术要推向大众还需要时间。“我们离实际应用还很远，”她说。“我们重点研究原理和机制，看哪些是可行的。不过，我们已经在考虑未来的挑战了。”

消费者的看法是其中一项挑战。在开发培养肉时，研究人员选择使用酵母而非细菌。“很难向消费者解释清楚，这种肉是用细菌培养出来的，”马蒂内利说。

科学进步只是挑战的一个方面。要把工程活体材料应用到医学或食品生产中，还需要新的监管思路。

由于工程活体材料结合了活细胞，在某些情况下还结合了转基因微生物，它们并不能完全套用现有的监管框架——这些框架是为传统药物或标准食品设计的，而不是在某种意义上有生命的材料。

该团队已与欧洲创新委员会合作，正在与包括欧洲药品管理局在内的监管机构沟通，探讨这些材料最终需要遵循哪些规则、获得哪些审批。

“我们需要对这项技术有一种新的态度，”马蒂内利说。“这种合作有助于我们为工程活体材料的使用开辟一条道路。”

瓦萨利补充说，如果广泛应用，工程活体材料可能发挥“极其强大的作用”。“当我们启动这个项目时，我们有两个主要问题：这可行吗？能规模化吗？我们现在可以说，它是可行的。”

可扩展性是下一个挑战。如果团队成功，这或许能让未来更近一步，届时活体材料将与我们早已习以为常的传统材料并肩而立。

本文最初发表于《地平线》，一本欧盟研究与创新杂志。