3D打印肝臟類器官有多牛

鄭穎瑤

毛一雷，北京協和醫院主任醫師，教授，博士生導師，現為中國醫師協會肝臟外科醫師委員會副主任委員，外科技術創新與推廣分會會長，中國抗癌協會肝癌專業委員會常務委員，中華外科協會肝臟學組委員，國際肝膽胰協會中國分會委員，同時是美國消化道外科協會委員，美國營養協會委員。曾三次被評為北京協和醫院十大優秀外科教授。創辦Hepatobiliary Surgery ana Nutrition（HBSN）外科雜志并任主編，該期刊為SCI分數外科類亞洲第一、世界第九的期刊。

肝臟到底在干什么

提到肝臟，您想到的都有什么？“保肝護肝”的保健品、每年體檢的肝功能檢測，還是乙肝、肝硬化和肝癌？那么肝臟到底什么樣，有什么功能呢？

如果用右手做出叉腰的動作，我們可以輕松摸到右側最下面兩根肋骨，它們的內側就是呈鈍角三角形的肝臟。經過漫長的生物進化，人體借助肋骨給肝臟以全面的保護，可見它對于我們維持生命是一個非常重要的器官。

還記得體檢時內科醫生的動作嗎？他們總會要你吸氣鼓肚子，然后用手按壓右側肋骨下沿。如果醫生沒有摸到什么，就對了，如果不小心摸到了肝臟，那可能是肝臟腫大了。

肝臟常常被歸類在消化器官中，因為它夜以繼日地分泌膽汁，并儲存在膽囊里，待我們進食油脂類食物時，就一股腦兒排進十二指腸，和食物混合，并幫助脂肪和脂溶性維生素A、維生素D、維生素E、維生素K的消化吸收。

但如果肝臟只做這點事兒，那怎么對得起它“人體最大化工廠”的稱號呢？事實上，肝臟是個“一專多能”的器官，它還肩負著雌激素等激素代謝功能、應對外來有毒物質的解毒功能，以及合成白蛋白和幾乎所有凝血因子的功能。

3D肝臟類器官的構建

這樣就可以理解，為什么患有肝臟疾病的人不止會有食欲下降、體重下降，還會有各種奇怪的表現，如維生素A缺乏導致的夜盲和皮膚干燥綜合征，雌激素代謝異常導致的男性乳房發育，以及缺少凝血因子帶來的凝血功能障礙等。嚴重時，也會因為白蛋白合成下降，引起低蛋白血癥而造成腹水。所以說，“傷肝”的后果很嚴重。

幸運的是，生物進化也給了肝臟一個特殊技能——再生。肝細胞在體內有幾乎無限的再生能力，在體內所有細胞中排名第二。當切除2/3健康的肝臟時，肝內剩余肝細胞會進行快速增殖，很快可以完全恢復至正常肝臟的體積和功能。

依據肝臟這個特性，在臨床上有些患者接受部分肝切除手術后，缺失的肝臟可以在10個月內完全長回來;肝移植手術的供體也可以選擇其他健康人的部分肝臟。同樣是因為肝細胞能再生這個特性，燃起了無數科學家在體外復制肝臟，制作肝臟類器官的夢想。

科學家的夢想

類器官是指在體外構建一個與體內結構和功能相似的組織體，由于可以產生與器官類似的生理作用、藥物反應、疾病過程，因此，它被認為是疾病動物模型與人體器官結構和功能研究的橋梁。比如肝臟類器官，就是由多個體外培養或自我復制的肝臟細胞，按照固定的空間結構，組成的細胞團。盡管它和真正的肝臟長相差別巨大，內部結構也未必完全一致，但它會保留肝臟細胞的大多數功能。

科學家們的夢想是——

如果，3D打印的肝臟類器官可以替代肝臟的功能，肝臟移植所需要的供體短缺問題不就可以解決了嗎？

如果，3D打印的肝臟類器官可以批量生產并在體外大量存活，白蛋白、凝血因子等目前需要從血液中提取的昂貴的生物制劑，就可以讓它們去制造了。

如果，3D打印能夠在體外快速、完美復制肝臟腫瘤組織，患者到底用哪個抗腫瘤藥效果更好，就不用再親身試藥了，而且完成的藥敏試驗不僅安全，效率還更高。腫瘤精準治療可能就不遠了。

那么，現在我們是否能看到夢想實現的苗頭呢？中國醫學科學院北京協和醫院肝膽外科毛一雷教授的回答是：“yes！”

肝細胞在體外需要“抱團活著”

急性肝功能衰竭是由于各種因素引起的肝細胞大面積壞死或嚴重肝臟損傷，病死率超過80%。肝移植是終末期肝病或急性肝衰竭患者唯一有效的治療手段，但是由于供體缺乏、免疫排斥等因素，臨床應用受到限制。因此尋找新的肝衰竭治療方式，對于潛在的終末期肝病患者有著重要的意義。這是毛一雷教授和他的團隊邁入3D打印的世界，制作肝臟類器官和肝癌活體模型的初衷。

但現實情況是，原本有活力能再生的肝細胞，一旦從身體中取出，存活時間非常有限，而且其特有的復制功能也迅速消失。醫學科學家們通過加入各種生長因子延長了肝細胞的存活時間，但功能難以保持。隨著細胞生物學領域的快速發展，人們研究發現，如果讓肝細胞成堆生活，即為它們提供三維培養體系，就能明顯促進體外肝細胞的成熟功能。這提示三維培養環境提供給細胞的空間位置、壓力信號和基質的黏附信息等，對肝細胞存活和發揮功能有重要作用。

受此啟發，毛一雷團隊嘗試用肝細胞作為“生物墨水”，借助3D生物打印技術制造肝臟類器官。毛一雷教授介紹，近年來3D生物打印技術在組織工程學中精確構建支架、細胞、組織以及器官方面展現出很大的潛力。但是目前，國內外僅有少數幾個團隊在嘗試3D肝組織模型的構建，為的是應用在早期的藥物研究以及疾病模型中，他們是目前唯一的打印出原代肝癌模型，并且成功完成藥敏研究的團隊。

肝臟類器官活得很精彩

盡管3D打印技術早已成熟，但肝臟生物3D打印卻幾乎沒有經驗可循。毛一雷團隊首先探索了用于打印肝臟類器官的細胞、“墨水”以及誘導分化的條件。在實驗中對比了原代肝細胞、胎肝細胞以及多種肝細胞系。綜合考慮對3D打印的耐受性和肝功能之后，最終選擇了一種人肝祖細胞進行3D生物打印。“生物墨水”也是反復測試后才最終敲定了5%明膠和1%海藻酸鹽作為重要組成部分。

一系列的難點逐個破解后，團隊利用3D生物打印技術，在明確細胞空間構型的情況下，進行干細胞定向分化研究，這有別于傳統細胞研究中的平面培養和立體培養。

結果顯示，3D打印的肝臟類器官構成團簇，并具有了積累肝糖原、轉運吲哚綠和乙酰化的低密度脂蛋白的能力。將這個肝臟類器官（他們自己命名為3DP-HO）移植到肝功能衰竭的小鼠體內后，小鼠壽命延長了數倍以上，體重減輕現象也顯著下降。并且，由于移植的肝臟類器官具有足量的肝細胞，所以移植后小鼠的血清肝功能指標顯著改善。而且這些小鼠的肝臟具有了人類肝細胞特有的一種代謝功能（異哇胍代謝功能）。這說明確實是移植的人類肝臟類器官在工作，而非小鼠原本衰竭的肝細胞“復活”了。

更令人振奮的是，小鼠肝臟在移植14天后自發構建出血管網絡系統。毛一雷教授說：“這提示3D打印肝臟類器官在移植后的體內不僅能夠‘干活，還通過迅速搭建血管網絡，為自己創造了‘長期駐扎的條件。相信隨著技術的不斷精進，我們距離生物打印完整功能器官更近了一步。今后，若這一技術能夠順利轉化用于臨床，有望為肝衰竭患者提供全新的治療思路。”這一研究成果已于2020年5月20日在線發表在國際頂級胃腸病學雜志《胃腸道》（GUT雜志）上。

“復制”腫瘤為用藥指路

肝細胞癌是最致命的腫瘤之一，但目前選擇肝癌特異性藥物缺乏明確依據，腫瘤位點檢測又常因為其異質性受到影響。簡單地說就是，醫生面對需要接受化療或靶向治療的肝癌患者時，可以有多種用藥選擇，但具體到某一位患者適合哪種或哪幾種藥物，現有的檢測手段仍無法做到“一錘定音”，有些準確度不夠高，有些需要的時間比較長。

因此，對肝癌患者，建立一個可靠的、可用的體外篩選模型至關重要，這也是該領域醫學研究的熱點。既然肝臟類器官能夠成功構建，肝細胞癌是不是也可以體外“復制”呢？

毛一雷團隊再一次使用了3D打印，并成功構建了肝細胞癌個性化模型，在對4種常用的肝癌靶向藥物進行體外個體化篩選中，取得了精準的結果。研究近日發表在生物材料界排名第一的期刊《生物材料》（Biomaterials）上。文章被錄用時，審稿人點評：“所有以往的熱門技術，成功率低且耗時長。毛等報道的方法達到了快速成瘤、高效的結果。這種方法顯然要比目前的類器官等更有優點，該研究對于世界上該領域的各研究組都會有幫助或者促使他們思考轉換方向。”

在這項研究中，毛一雷團隊采用6名患者手術切除的肝細胞癌腫瘤樣本用于模型構建，將患者原代肝細胞癌腫瘤細胞與明膠、海藻酸鈉“生物墨水”混合打印成型。3D打印構建體外模型簡單高效，腫瘤細胞消化分離后2小時即可完成構建。相比之下，以往用一種被稱為Organoid的類器官，在體外培育的肝細胞腫瘤組織往往需要幾個星期。并且，培育后的腫瘤組織存活成功率僅有26%，且形狀、細胞數量、密度均不可控，影響了其判斷藥物敏感性的準確率。

毛一雷團隊使用患者原代肝細胞癌細胞構建的多個3D打印個體化肝細胞癌模型，在長期培養過程中生長良好。這些模型保留了肝癌的親本特征，即生物標志物、遺傳改變和表達譜的穩定表達和維持。3D打印HCC模型在長期培養中十分可靠，在這6名患者的模型中測試了4種常用的靶向藥物，通過基因突變譜與藥物靶標的對比測試，證實藥物敏感性與突變靶標具有良好的一致性，表明了這種方法實際上可以彌補或者替代基因突變譜的檢測。

未來，這種體外借助3D打印腫瘤模型完成藥敏檢測的研究，還有望拓展到結直腸癌肝轉移、乳腺癌等腫瘤中。

我們什么時候能夠用上

無論是3D打印的肝臟類器官還是3D打印的腫瘤組織，都是令人向往的。

肝臟具有眾多內分泌功能，當我們能夠在體外復制擁有同樣功能的肝臟類器官時，或許就可以建造一個現代化的生物加工廠，讓肝臟類器官為我們制造大量的各種凝血因子、白蛋白等生物制劑，拯救更多患者。

肝細胞癌患者眾多，如果用這一方法在藥物檢測方面為他們提供幫助，可以給臨床治療帶來更加明確的指引。同時，我們或許也可以把這個方法擴展到更多其他實體腫瘤中，讓腫瘤的精準治療更早實現。

但是，醫學科研成果真正走進臨床還需要一個漫長的過程，往往需要幾年甚至十幾年，畢竟任何一個診療技術用于臨床，用于真實的患者，必須要格外謹慎。從醫學角度看，還需要大量的后續研究逐步證實它的安全性、潛在風險等。

同時，推動研究成果轉化到臨床應用這個過程也是相當漫長的，它被稱為轉化醫學，是如今包括中國在內的世界各國都在大力推動的，因為躺在論文集中的科研成果是無法充分發揮其價值的。轉化醫學涉及的范圍非常寬廣，比如醫學倫理評價、專利申請、產業化推動甚至資本運營等。當然，它也需要包括醫學專家在內的更大的團隊。

回歸到本文提到的這兩項研究，毛一雷教授推測，如果轉化過程順利，或許幾年后就可走入臨床，與廣大患者見面。