【科技.未來】3D打印器官 終結人畜痛苦

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日漸流行的3D打印近年開始應用到醫療之上,有研究團隊初步打印出耳朵、腎臟,甚至眼角膜,但要用作器官移稙,在技術上仍有一段距離。美國加州初創公司Prellis Biologics近日宣稱,他們所使用的3D生物打印技術(bioprinting)可最快、最精細地打印出具血管的人體組織,有望突破技術瓶頸。病人等待器官捐贈的苦況,會否隨着可移植的3D打印器官出現而終結?

生物打印公司BIOLIFE4D近日宣布成功打印出心肌「貼片」,計劃未來用作移植修補病人心臟不正常運作之處。(BIOLIFE4D提供圖片)

香港是全球捐贈器官比率最低的地區之一,去年每100萬人僅有5.5人捐出器官,器官移稙輪候時間不斷延長,當中以腎臟移植輪候最為迫切。據衞生署中央器官捐贈登記名冊顯示,截至去年底,共有2,153人輪候腎臟移植,平均需要輪候51個月,最長更達351個月,即超過29年。同時,有大約9%至15%等待心臟、肝臟或肺部移稙的病人,在輪候期間死亡。

免輪候器官者之苦

器官輪候遙遙無期,3D打印器官可能是未來出路之一。最早的生物打印機或可追溯至2000年,自稱「生物打印之父」的生物工程師寶蘭特(Thomas Boland)在美國克林信大學(Clemson University)的實驗室,把普通電腦噴墨打印機的油墨先後換成了膠原(collagen)、大腸桿菌、哺乳類細胞等來打印,他在2003年後更開始着手改裝3D生物打印機。

隨3D打印愈趨成熟,人體器官未來或可在實驗室3D打印出來。(Organovo)

隨着近年軟、硬件進步,3D打印愈來愈快、高質和划算。約五、六年前,全球3D打印機巨頭Stratasys的打印機只能打印一、兩種物料和顏色,但現時已可同時打印至少六種物料,創造出36萬種物料和顏色組合。3D打印從上世紀八十年代的小眾玩意,到今日愈來愈多行業使用,生物醫學界近年也開始嘗試打印人體器官。

生物打印與一般3D打印過程類似,都是先在電腦準備好設計圖,然後以3D打印機逐層打印。只是打印的「墨水」由打印飛機、汽車零件或波鞋所使用的金屬、塑膠或紡料,換成了「生物墨水」(bioink),即打印器官所需的細胞和輔助凝膠。原理大致是從病人或健康人體取得打印所需的細胞,經分裂增量後調校成生物墨水,然後噴灑打印在水凝膠(Hydrogel)製的支架上讓器官成型,脫離支架取得器官(見圖)。

3D打印器官大致原理(製圖參考:Financial Times)

英國紐卡素大學(Newcastle University)的斯維奧高(Steve Swioklo,左)及干倫(Che Connon)5月底宣布成功3D打印出人類角膜,需時不足10分鐘。(視覺中國)

現時已有一些生物打印公司取得初步成果,例如在2016年,美國生物打印公司Organovo成功3D打印出人體腎臟組織,並移植到老鼠身上;去年,西班牙馬德里卡洛斯三世大學 (Universidad Carlos III de Madrid)的團隊打印出皮膚,預計可用於皮膚燒傷或癌症病人;本年5月底,英國紐卡素大學(University of Newcastle)研究人員更以健康人士捐贈的眼角膜幹細胞,配合褐藻膠(alginate)和膠原製成的生物墨水配方,首次成功3D打印出人類眼角膜;上月底,美國生物打印公司BIOLIFE4D亦宣布,成功打印出一塊心肌組織「貼片」,雖然與完整心臟的功能無法相比,但仍可望用作替換引發心臟病的影響部分器官。

若3D打印器官技術最終能成熟至可作移植之用,將會徹底改變現時器官輪候者的苦況。屆時器官將可按需求打印,不再像現時般極度依賴於稀少的捐贈者,一眾等候已久的病人,除可得到器官移植的機會之外,也避免了過往捐贈時「一換一」的掙扎,不需要犠牲他人的腎臟也可續命;皮膚燒傷也不需要用身體別處皮膚修補,更有助杜絕黑市器官買賣。

再者,若以病人自身幹細胞打印器官移植,可避免器官移植出現排斥的風險。3D打印器官亦脗合現時在大數據和人工智能發展下,興起的精準或個人化醫療潮流,能夠進一步為病人度身訂做器官,相比起機械植入(如植入機械心瓣等),手術後更換機件的機會較少,減低病人再次接受手術的痛苦。

取代動物及人體試驗

此外,3D打印器官也可為藥物開發及毒理測試另闢蹊徑,以病人的細胞組織模擬疾病,在病人體外研究治療方法,以取代動物及人體試驗。去年12月,Organovo獲美國食品藥品監督管理局(FDA)授予「指定孤兒藥物」(orphan drug designation)資格,可用其3D打印的肝臟組織測試一種用來治療罕見疾病α1-抗胰蛋白酶缺乏症(α1-antitrypsin deficiency)的藥物。化妝品巨頭歐萊雅集團(L'Oreal)也在2015年起與Organovo合作,以後者供應的3D打印人體皮膚試驗抗老及防曬產品,取代動物試驗。

歐盟於1993年起逐步禁止化妝品商以動物測試,歐萊雅(L'oreal)與Organovo的合作或成出路。(European Commision)

鑑於生物打印這些潛力,Prellis Biologics估算,現時3D生物打印的臨床應用市場約為10億美元,至2020年將增至100億美元,全球「組織工程」市場則會由2015年的230億美元,到2024年增加至940億美元。除了一眾初創公司積極投入研發之外,跨國巨企也不甘輸蝕。

綜合巨企通用電氣(General Electric)正研究3D打印機,和其他影像來源轉換成3D物件的技術。全球康健用品龍頭強生(Johnson & Johnson)亦正在研發一系列可用作客製化物件打印的「墨水」,同時與加拿大生物打印公司Aspect Biosystems合作,研發3D打印半月板。

器官血管難題

然而,生物打印器官最終要能夠用作移植,必須能提供原本器官的功能,皮膚、角膜、軟骨或許相對容易,但心、肺、肝、腎等的結構和運作原理就複雜得多。

美國太空總署(NASA)曾設下「血管組織挑戰」(Vascular Tissue Challenge):在實驗室製作出1厘米厚、具備完整運作血液系統、並能生存30天的人體組織,最先成功的團隊可獲得30萬美元獎金,第二、三名也可各得10萬,但至今仍然懸空。假若在技術上無法打印出完整的血液系統,即使組織細胞造得再大,也會從內部開始壞死。因此,至今並無任何公司有能力生物打印出完整器官,目前的成品只限於極為纖薄和微細的組織。

美國藥企United Therapeutics的生物工程師艾華利斯(Luis Alvarez)解釋,現時不少生物打印公司的問題在於使用擠壓式打印方法(extrusion),即從精細的打印頭擠出細胞和蛋白質來打印,打印精細度將受細胞大小所限。同時,速度緩慢是這種打印方式另一缺點。Prellis Biologics指出,速度對能否打印完整器官甚為關鍵,因為沒有微血管供應氧氣和營養的話,細胞組織將活不過30分鐘。現時一眾公司的權宜之計,是把打印出來的組織浸在營養液中,延長壽命。

新創聲稱突破精細度與速度限制

不過,這些技術瓶頸或有望打破。Prellis Biologics上月底發表成果,宣稱其採用的全息(holographic)3D打印技術,精緻度可細至0.5微米(micron),足以打印出直徑約5至10微米的微血管。現時打印一個1厘米立方大小、具微血管的人類組織需時數以周計,Prellis Biologics聲稱其方法可以「快1,000倍」,並指未來的目標是在12小時內,能夠打印出完整的腎臟,更預計3D打印的完整器官五年內可推出市場。

並非每間公司都如此樂觀,Organovo首席科學家佩斯納(Sharon Presnell)說:「我們都認為在未來能夠實現(打印完整器官),只是對需要多久才做到,我們有不同意見。能否製造一個夠大、有血管、又能承受生物壓力的器官?大部分的公司都正按部就班前進。」瑞典生物3D打印機生產商Cellink創辦人基頓漢(Erik Gatenholm)去年預測,3D打印皮膚可望於五年內出現,十年內將會有3D打印的軟骨移植,3D打印內臟移植將在其「有生之年」實現;United則預計,完整的3D打印器官至少還要等12年。

上述技術難題以外,要達到終結人畜痛苦的理想,另有倫理學者提醒,移植3D打印器官在社會上具體落實未必樂觀。詳見另文【科技.未來】移植3D打印器官 病人真係唔使再等?

上文節錄自第119期《香港01》周報(2018年7月9日)《移植3D打印器官 誰可長生不老》。

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