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“天宫”空间站未来可能展开的最重要任务:3D器官打印

天宫空间站已经遨游在380千米的近地轨道上,数天来三位航天员的一举一动都受到了全球网民的关注,对接当天航天员们就开始架设设备,展开为期三个月的轨道实验!

天宫空间站究竟有哪些科学实验要做?

天宫空间站当前有9项重大任务,而与之相关的都是微重力,因为太空的微重力环境,会让很多特性变得和地球上不一样,比如微重力下的流体将会呈现一个几乎完美的球形,因此空间流体力学受到科学家的重点关注!而大家关心的另一个焦点则是微重力下特殊材料的制备,比如对流与扩散以及凝固过程和地面完全不一样,它将形成全新的材料!

另一个最让大家关心的则是最近在国际空间站上展开的生命科学相关的试验:3D器官打印可能很多朋友都不明白,为什么要去国际空间展上打印器官?其实道理很简单,3D材料打印和器官打印完全不一样!

3D材料打印时会有融化、粘接凝固等层层堆积的过程,无论是金属还是塑料都是“刚性”结构,但3D生物器官不是这样,在地球上打印时会由于重力作用而塌缩,结果形成的器官形状很难维持!但微重力下空间站打印则完全可以消除这种不利因素!

下颌骨和耳朵

器官移植:究竟有多少障碍?

等待器官移植已经成为很多很多器官衰竭患者活下去的唯一希望,2019年我国器官移植手术19454例,挽救了将近两万个家庭,但仍然有大量的患者在等待器官移植中死去,其中最大的原因则是登记捐献者数量严重不足!

我国肾和肝移植年度变化(1997C2007)

但事实上就算是等到了捐献者的器官,受者未来也面临着严重的排异反应,十年内存活率仅达到60%,有没有一种技术可以让器官没有排异反应?

器官移植的排异反应,究竟如何解决?

所谓的排异反应就是人体免疫系统认为这个是非人体自身组织,这个防御系统几近完美,因为免疫系统可以检测小到病毒大到寄生虫等各类病原体以及有害物质,在正常情况下能够将这些物质与生物体自身的健康细胞和组织区分开来,并召唤免疫细胞将其杀死!

它的存在非常重要,比如HIV(艾滋病毒)就是获得性免疫缺乏综合征,专门破坏人体免疫系统,一旦被破坏,即使是感冒也能要人的命!但在器官移植时就成了最致命环节,因为免疫系统会认为其是外来组织,所以对其进行赶尽杀绝!

因此需要大量的抗排异药物来维持,但抗排异药物会提高感染、癌症和高胆固醇的风险,还会加速心脏疾病、糖尿病和肾衰竭,据资料统计,肝脏移植后,5年内平均死亡率为25%,10年内的平均死亡率为35%~40%。而且移植心脏后的排异反应可能会造成肾衰竭从而必须得继续接受肾移植!

彻底解决排异反应:两个解决办法

一个是现在正在如火如荼研究的IPS干细胞研究,比如改造体细胞成为IPS干细胞,在动物体内长出人体器官,这种采用患者自身的细胞分裂,长出来后不会有排异反应,是一种非常理想的器官制造方法!

但问题是从2000年初到现在,出于伦理上的考虑,在动物体内分裂的IPS细胞仍然未能超过30天,而长出人体器官还遥遥无期!

另一种方法则是3D器官打印,这个技术分为如下几步:

1、利用核磁共振取得患者器官的生物学结构;

2、分离患者器官正常细胞,并培养大量增量;

3、将细胞和特殊液态生物材质混合,保持其生存和供氧;

4、混合物质与生物墨水在3D打印机中,用患者的核磁共振生物学结构,一模一样复制一个。

一般因为地球重力限制,必须在打印前制造一个复杂的悬浮水凝胶(FRESH)支架,器官打印结束后可以在海藻酸盐溶解,最终留下完整的器官!但这种技术对于制造简单结构的器官没问题,血管极其复杂的结构则仍然会由于重力作用而崩溃,因此在无重力状态下打印将会省去很多准备工作!

国际空间站实验:成功

2020年4月,国际空间站上的宇航员安德鲁・摩根执行了为期272天的任务后返回地球,他在轨道上执行了一项全球瞩目的任务:3D打印器官创造人体活组织!

安德鲁・摩根

摩根和克里斯蒂娜・科赫一起测试心脏样组织厚度的打印,后来扩展到了这个人体器官的尝试,尽管现在差距还不小,但已经能够逐层打印出活的、有功能的人体组织!

摩根和克里斯蒂娜・科赫

这个设备是由美国公司 Techshot 和 NScrypt 开发,2019年发射入轨,生物墨水商业化的公司Cellin的科学官Itedale Redwan称,3D打印的人体器官将在未来10-15年内实现人体移植,早在2018年,纽卡斯尔大学的一个团队就成功打印了人类角膜,而特拉维夫大学的一个团队则打印了心脏部分组织,用来修补心脏缺陷。

天宫空间站:未来3D器官打印展望

在天宫空间站上展开的9项科学研究中,其中有两项是生物相关的科学研究:

太空肿瘤:来自个体内健康和肿瘤组织的3D类器官培养物由于空间条件导致的突变特征研究。

微重力对致病菌生长和生物膜产生的影响。

尽管和3D打印的距离差得还不小,但未来一定将会成为天宫空间站的重要研究方向,毕竟人体器官移植的需求和市场实在是太大了,而自体器官打印移植还没有排异性,也就是说就像自身“原装”器官一样,寿命和“使用年限”都和正常器官无异,这有多大的诱惑?

2018年9月底,浙江大学机械工程学院贺永教授课题组发明了一种新型生物3D打印方法,能够操控不同种类的细胞形成特定结构的微球,进而长成具有生物活性的微组织。

而我国在3D生物打印领域也有多家先进企业,并不输于国际先进水平,因此我们可以大胆地猜测一下,天宫空间站下一批实验中,非常有可能出现3D生物打印的设备,我们也期待这一天的到来!