3D心臟是如何打印出來的？

張田勘

2019年4月15日，以色列特拉維夫大學分子微生物和生物技術學系的教授塔爾·德維爾（Tal Dvir）團隊在綜合科技期刊《先進科學》（Advanced Science）上刊文稱，他們成功用人體細胞制造出世界上首顆3D打印心臟。這顆3D打印人工心臟大約2厘米長，和兔子的心臟大小差不多，看起來像個精致的小玩具。這顆心臟是貨真價實的人類心臟縮小版，不僅有心臟細胞，還有血管和其他支撐結構，甚至能像真實的心臟一樣跳動。

迄今，關于3D打印器官的研究結果屢屢公布，并被視為生物醫學領域的重大科技成果，除了3D打印心臟外，還有3D打印的各種骨骼、腎臟、肺臟、耳朵、氣管支氣管、肝臟等。這些器官都已經成形，而且，也有一定的功能，有些還進入臨床試驗治療，如骨骼。

首先需要更正的是，所謂的打印是比喻說法，與傳統的打印不是一回事。

3D打印技術最初是通過數字模型，利用金屬粉末材料，通過逐層打印的方式來構造物體。后來，這種做法和說法逐漸被運用到醫學上，如打印器官，也就是以干細胞為原材料，并供給干細胞生長的環境和營養，讓其按照特定模型一層一層地生長或者立體生長，實際上就是在人工環境下培養、培育和生長出器官。

由于器官生長是要按人體器官的模式來進行，而人的器官都是立體的，即三維的，所以必須借用一定的技術來設計或畫出原形器官的大小、立體模式、其中的血管和神經走向，以及器官中不同細胞和組織的比例和特定位置。

鑒于這樣的要求，打印器官需要多學科的理論和技術。除了干細胞分離和培養、組織工程技術外，還需要用電子計算機斷層掃描（CT）來測量受者（接受器官移植的人）原形器官的大小、其中的大血管的分布和走向。在通過CT測得原形器官的大小、立體體積和內部結構后，還需要借助計算機輔助設計（CAD，Computer Aided Design）及其圖形設備來幫助研究人員進行器官的智能設計或虛擬設計，也就是形成一個模型，相當于建筑施工和機械生產中的圖紙。

有了這個三維模型，還要決定在實際打印（培育）器官時，要用什么樣的骨架支撐起器官的立體（三維）結構和模式，然后讓干細胞沿著骨架和限定的模式生長，最終長出和原形器官一模一樣，或大部分相似于原形器官的有三維結構的器官。

打印（培育）器官的目的當然是供器官移植。

這對中國尤為重要。因為，中國人捐贈器官較少。中國百萬人口器官捐獻率僅為千分之一，可供移植的器官供需比例僅為1比30，遠遠無法滿足患者需求。即便發達國家可供移植的器官供需比比中國高，如美國為1比4、英國為1比3，可供移植的器官也非常短缺。所以，無論是中國還是其他國家，打印（培育）器官已經成為器官移植的一個發展方向。

現在的器官移植是同種異體器官移植，即把張三捐贈的器官移植給李四（人的器官在甲乙之間進行移植），用動物器官如豬的器官移植給人則是異種異體移植，這種情況目前還沒有，但未來可能是一個方向。

同種異體器官移植最關鍵的問題是異體器官的免疫原性，會讓受者的免疫系統對供體器官產生排異反應。現在，如果能打印器官，而且要按受者的原形器官來培育，就會解決排異問題。因為使用的干細胞原料是受者自己的，生成的器官當然會被自身免疫系統當作自家人，不會遭到排斥，這也是為何器官打印受到特別關注的原因。如果成功，既能解決供體器官供不應求的問題，還能解決自器官移植以來一直都不能解決的免疫排異問題，能讓器官移植和挽救人的生命攀上一個新的高度。

我們也應該看到，雖然研究人員打印出了3D心臟，可它只有2厘米大小，并不足以供給患者進行移植。雖然它能博動，但并不能泵血，這又是心臟最重要的功能。由于沒有原有器官的功能，現在的這顆心臟只能算是迷你心臟或類心臟（類器官），不能算作是真正的器官。

這顆心臟尚不具備功能的原因有很多。一是現在3D模型并不能設計出心臟中所有的血管，這限制了心臟的功能。其次，心臟也需要接受神經的支配，但是3D打印能否打印出支配心臟的神經，似乎也還不明確。

這項研究的負責人德維爾稱，由于3D打印心臟太小，還需要在特定的生物反應器中培養，就像早產兒需要放在新生兒培養箱中培養一樣，3D打印心臟也需要經歷一個成熟的過程，并使它們生長，長成人類心臟大小的時候才可能使用。

這也說明，現在的3D打印心臟其實還是先天不足的。對于只有簡單功能的器官，如各種骨骼，它們的功能只是起到支撐的作用，用3D打印出來后，成功率比較高，也開始應用于臨床，例如，3D打印的下頜骨、顱骨、脊柱、骨盆等，都已經進入臨床使用。

2014年，北京大學研究團隊使用3D打印技術制作了一根脊椎，并成功地植入一個12歲男孩體內，是全球首例。同樣在2014年，中國西安的京西醫院研究團隊采用3D打印技術打印顱骨，幫助一名半邊顱骨受傷凹陷的農民重建了半個頭蓋骨。

對于有特殊功能的器官——心臟需要泵血、肝臟需要解毒和吸收轉化營養——就需要打印出來的器官既要在形態上與原有的器官相同或相似，還需要有生物活性。這種生物活性體現為，能從血液中獲取營養為其提供能量，以支持心肌細胞和肝細胞發揮功能，同時還要接受神經系統的支配等。現在看來，3D打印心臟還達不到馬上就能用的程度，原因也在于它們既沒有原形器官那樣的尺寸，也不具有原形器官的功能。

因此，3D打印心臟要達到實用還有很長的路要走。其中，美國研究人員提出，如果要讓3D打印心臟有類似原形心臟的功能，就要對3D打印進行更好的模型設計，例如模擬出心臟中的所有大小血管，可以采用把CT和3DTEE（3D經食道超聲心動圖）兩種技術結合起來建模的做法，從而獲得更小的分辨率，透視出心臟中的更多血管，并進行更逼真的建模，讓打印出來的心臟或其他器官更有質量。

當然，也有研究人員樂觀地估計，3D打印心臟，以及其他具有復雜功能的器官如肝臟、腎臟等，可能在10年后進入臨床醫療，不過，這需要未來研究人員的加倍努力，更需要時間和實踐來檢驗。如果能成功，也就能讓器官移植不再局限于死亡者的供體器官，從而可以走出一條新的路徑，以拯救更多人的生命。