在體外“制造”人類

制造出整個人體器官一直是組織培養(yǎng)工作者的夢想。雖然通過向體外人工容器中的人體器官灌注血漿，亞歷克西斯·卡雷爾和他的追隨者查爾斯·林德伯格可以維持這些器官的活力，但他們的終極目標(biāo)是“全器官培養(yǎng)”，兩人1935年在《科學(xué)》（Science）雜志上發(fā)表的一篇論文就以此為題。雖然那篇論文并沒有報道任何有關(guān)制造器官的內(nèi)容，但當(dāng)卡雷爾看到一個接受血漿灌注的貓卵巢上長出了新的組織時，他得出結(jié)論，利用相應(yīng)的組成細(xì)胞，器官能夠再生。

在他1935年出版的著作《人之奧秘》（Man, the Unknown）中，卡雷爾寫道：“孤立的細(xì)胞就擁有一種獨特的能力，它們無須引導(dǎo)就能形成每個器官的特征性結(jié)構(gòu)。”他還補充說，這些器官是“由某些細(xì)胞形成的，這些細(xì)胞似乎對它們要形成的結(jié)構(gòu)了然于胸，并能利用血漿中的物質(zhì)合成‘建筑材料’，甚至‘建筑工人’”。這看起來簡直就像魔法，甚至讓堅定的理性主義者卡雷爾也不那么理性了。他說：“器官是通過一些神奇的方式發(fā)育而來的，神奇得就像舊時童話中的小精靈擁有的那些魔法一樣。”他希望這種魔法能夠成就另一種魔法：用實驗室中制造的器官不斷更新人原有的器官，從而實現(xiàn)長生不老。

劍橋研究實驗室[1]的托馬斯·史澄威斯和霍娜·費爾發(fā)現(xiàn)，如果從胚胎上切下一些細(xì)胞已經(jīng)完成分化的組織并在體外培養(yǎng)，那么組織中的細(xì)胞會保持其細(xì)胞類型（例如眼睛或骨骼的細(xì)胞）繼續(xù)生長。這就是今天所謂“組織工程”的早期形式。“組織工程”這個詞是生物學(xué)術(shù)語和工業(yè)領(lǐng)域術(shù)語一種非同尋常的組合，讓人覺得制造一個人（或人的一部分）歸根結(jié)底是一個工程學(xué)問題。1926年，史澄威斯宣稱：“體細(xì)胞不需要整個有機體的調(diào)控就能形成它們應(yīng)當(dāng)形成的特定組織?！边@句話所傳遞的思想無比清晰。今天，推動迷你大腦以及其他類器官研究的正是這種思想，這些研究的結(jié)果也在反過來為這種思想提供佐證。

1910年代末，在倫敦工作的蘇格蘭生物學(xué)家大衛(wèi)·湯姆森（David Thomson）前往洛克菲勒研究所，向卡雷爾學(xué)習(xí)相關(guān)的技術(shù)。回到英國后，湯姆森開始從雞胚上切下新生的器官并在體外培養(yǎng)。他發(fā)現(xiàn)這些新生的器官保留了原來的解剖結(jié)構(gòu)，并認(rèn)為這是因為生長中的器官周圍有一層膜，這層膜可以防止器官邊緣的細(xì)胞增殖失控。湯姆森的這種觀點雖然是錯誤的，但他正確地意識到這種“人造器官”能長多大是有限度的，因為當(dāng)這些器官長到一定大小后，營養(yǎng)物質(zhì)將無法到達(dá)最深處的細(xì)胞，因此這些細(xì)胞必然會死亡。他認(rèn)識到，要超越這種限度，就需要“某種人工循環(huán)手段”：這些細(xì)胞需要血液供應(yīng)。

體外器官培養(yǎng)及活力維持技術(shù)讓生物學(xué)家J.B.S.霍爾丹（J.B.S.Haldane）能夠暢想完全在體外制造人類。在1923年劍橋大學(xué)的一次講座上，他闡述道：

我們可以從一名女性身上取一個卵巢。在合適的培養(yǎng)液中，這個卵巢可以存活20年，并且每一個月產(chǎn)生一枚新鮮的卵子。這些卵子中有90%可以成功受精，在受精卵順利生長9個月后，嬰兒就會降臨到這個世界。

霍爾丹在第二年把這次講座的內(nèi)容擴展成了一本書，書名叫《代達(dá)羅斯，或科學(xué)與未來》（Daedalus, or Science & the Future）。霍爾丹的這些遐想是體外受精和輔助生殖技術(shù)的前奏。然而，這種制造人類的愿景離不開器官和組織培養(yǎng)。霍爾丹自己正是從史澄威斯實驗室的研究結(jié)果構(gòu)想出在體外制造人類的，而《自然》（Nature）雜志對《代達(dá)羅斯，或科學(xué)與未來》的書評則認(rèn)為，“如果你還記得組織培養(yǎng)所取得的成果的話”，那么這本書的內(nèi)容似乎并不牽強。

史澄威斯實驗室在體外培養(yǎng)出了眼睛和骨骼等器官的一部分，這使一些觀察家相信，這個實驗室即將培養(yǎng)出一個又一個器官，進(jìn)而制造出整個有機體。諾拉·伯克（Norah Burke）[2]1938年在《珍聞》（Tit-Bits）雜志中寫道：“人類身體的其他部分已經(jīng)可以在試管中制造出來了。另外，想想那顆不斷生長的雞心吧……人類有一天也許可以完全通過化學(xué)手段制造出試管嬰兒或者成年人?！?/p>

考慮到一些科學(xué)家已經(jīng)取得的成果，這種說法并不算異想天開。1959年，法國生物學(xué)家讓·羅斯丹（Jean Rostand）斷言（有必要提一下，他的斷言有些無憑無據(jù)）：“現(xiàn)在似乎已經(jīng)能夠構(gòu)建人造器官了，包括心臟和肺……這項工作是卡雷爾和林德伯格……以及許多其他人完成的。這些人造器官正越來越接近天然器官?！边@樣的觀點甚囂塵上，伯克等人喜出望外也就無可厚非了。

但細(xì)胞真的能勝任這一切，在體外生長成完整的器官嗎？對于體外培養(yǎng)的細(xì)胞，一些研究者將信將疑，認(rèn)為它們不過是一個雜亂無章的群體。正如俄裔美籍組織學(xué)家亞歷山大·馬克西莫（Alexander Maximow）在1925年所說，“這群形形色色的細(xì)胞的排列沒有任何規(guī)律”。[3]有人懷疑，要想讓體外培養(yǎng)的細(xì)胞像真實組織和器官中的細(xì)胞那樣有序，可能需要整個有機體，或者至少是機體某些重要部分的協(xié)助。

盡管史澄威斯和卡雷爾實驗室早期的組織培養(yǎng)工作伴隨著許多夸張的，有時甚至是令人憂心忡忡的新聞報道，但人類組織工程在那時從未取得真正的成果。雖然組織工程技術(shù)在其他哺乳動物和高等生物上取得了成功，但研究人員發(fā)現(xiàn)，正常的人類細(xì)胞的生長特別難以維持。到20世紀(jì)60年代，已經(jīng)幾乎沒有人探索以細(xì)胞為起點制造人體器官和組織了。

但仍有少數(shù)研究者堅持不懈。20世紀(jì)70年代，一些科學(xué)家致力于制造人造皮膚來覆蓋燒傷患者的創(chuàng)面，以幫助創(chuàng)面愈合和防止感染。麻省總醫(yī)院的約翰·伯克（John Burke）制造出了一種薄片，其主要成分是天然的膠原蛋白。當(dāng)被敷在傷口上時，這種薄片可以支持皮膚細(xì)胞的遷移和增殖。因此，伯克的這種材料并不只是應(yīng)急的覆蓋物，還是一種生物可降解的支架，能夠為體表皮膚的生長提供支撐。這項技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)相當(dāng)常規(guī)。目前有幾款商業(yè)化的高分子產(chǎn)品，通常由牛膠原蛋白制成。在這些產(chǎn)品的支撐下，皮膚細(xì)胞（角質(zhì)形成細(xì)胞和成纖維細(xì)胞）不僅可以在體外培養(yǎng)的條件下生長成人造皮膚，還可以直接在創(chuàng)面上生長。舉個例子，這類材料已經(jīng)被用于治療難以愈合的糖尿病足潰瘍，如果不使用這種材料，患者將不得不截肢。人造皮膚也可以利用臍帶干細(xì)胞來制備，并作為即用薄片儲存起來，隨時供手術(shù)使用。盡管用某一個人的細(xì)胞制成的人造皮膚在移植到另一人身上時可能引發(fā)排斥反應(yīng)，但捐贈者和接受者的免疫配型（immune matching）可以減少這種情況的發(fā)生。

從這些由干細(xì)胞生長而來的“合成皮膚”可以看出，體外制備的組織和原始器官樣結(jié)構(gòu)還有另一種可能的用途：不是用于外科手術(shù)，而是用于測試藥物和其他醫(yī)藥產(chǎn)品。一個足夠近似真實器官的類器官可以揭示潛在的副作用，例如，某種藥物是否容易引起炎癥、皮膚刺激，或者毒性反應(yīng)。這些測試以前都是在動物身上進(jìn)行的，但動物實驗不僅存在倫理爭議，而且有時也未必能反映藥物用于人體時的情況。目前，體外培養(yǎng)的皮膚已經(jīng)開始被用于藥物測試。如果能夠培養(yǎng)出人類腎臟、肝臟或者大腦的類器官，這些類器官也許同樣能幫助我們篩選出安全而有效的藥物。利用這些類器官，我們甚至能以個人化醫(yī)療的方式來篩選藥物，畢竟無論藥效是好是壞，藥物對每個人產(chǎn)生的效果不盡相同。然而這種方法仍有待驗證，細(xì)胞生物學(xué)家瑪爾塔·沙巴齊（Marta Shahbazi）警告說：“也許我們會發(fā)現(xiàn)我們能治好類器官，但沒有辦法治愈病人?！?/p>

皮膚是人體最大的器官，但從很多角度來看，也是最簡單的器官。制造其他器官比制造皮膚更具挑戰(zhàn)性。20世紀(jì)80年代中期，同在麻省總醫(yī)院工作的小兒外科醫(yī)生約瑟夫·瓦坎蒂（Joseph Vacanti）深感無力，因為器官短缺使他無法通過器官移植挽救患兒的生命?！爱?dāng)幾個孩子逐漸陷入昏迷或者失血而死時，我只能眼睜睜地看著，心如刀割卻又無能為力。”瓦坎蒂回憶道。為了獲得可以移植給患兒的肝臟，為數(shù)不多的幾種選擇之一是將成人的肝臟切割成合適的大小，但這種粗暴的方法操作起來難度很大。“我突然想到，如果我們能制造肝組織，那么就可以滿足移植的需求。”瓦坎蒂回憶道。但怎么制造呢？

在職業(yè)生涯早期接受醫(yī)學(xué)訓(xùn)練時，瓦坎蒂在燒傷病房目睹了約翰·伯克試圖在高分子支架上培養(yǎng)皮膚的嘗試。但肝臟是一種與皮膚截然不同的組織。比如，和大多數(shù)器官一樣，肝臟需要一個血管系統(tǒng)來使細(xì)胞保持存活。[4]因此，瓦坎蒂向他的同事羅伯特·蘭格（Robert Langer）求助。蘭格是麻省理工學(xué)院的一名化學(xué)工程師，對控制血管形成（angiogenesis）的方法頗有研究，并試圖用這些方法來阻斷惡性腫瘤的生長。

瓦坎蒂和蘭格隨后嘗試在人工支架上培養(yǎng)肝細(xì)胞，所使用的高分子材料與此前已經(jīng)被批準(zhǔn)用于人體的材料很類似。要給培養(yǎng)的組織供應(yīng)血液，一種方法是直接在組織內(nèi)部建立血管系統(tǒng)：在高分子支架上構(gòu)建一個由微小通道組成的網(wǎng)絡(luò)，然后把構(gòu)成血管壁的細(xì)胞（內(nèi)皮細(xì)胞）覆蓋在這些通道上。利用這種策略，蘭格和他的合作者制造出了一種人工肝臟。他們把含有血管細(xì)胞的高分子薄片和含有肝臟細(xì)胞的高分子薄片交替地堆疊在一起。在這種“三明治”式的結(jié)構(gòu)中，任何肝細(xì)胞都不會離血管太遠(yuǎn)。蘭格和他的同事并不打算把這種結(jié)構(gòu)的人工肝臟作為肝臟的長期替代品，而是希望可以把它們暫時移植到等待肝移植的肝衰竭病人體內(nèi)，以維持這些病人的生命。要實現(xiàn)這一點，科學(xué)家面臨著一個巨大的挑戰(zhàn)：把人體自身的血管網(wǎng)絡(luò)與這種人造器官的血管網(wǎng)絡(luò)連接起來。一種頗具前景的方法是在支架材料上覆蓋一類名為“生長因子”（growth factor）的蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)可以刺激人體產(chǎn)生血管網(wǎng)絡(luò)，使形成的血管融入支架材料中。

倫敦大學(xué)學(xué)院的喉科醫(yī)生馬丁·伯查爾（Martin Birchall）和瓦坎蒂一樣，對傳統(tǒng)移植手術(shù)的局限性感到沮喪。在談及頭頸部癌癥手術(shù)時，他說：“顯然，即使采用最先進(jìn)的技術(shù)，對那些口、舌、咽、喉和食管接受過大手術(shù)的患者來說，要想恢復(fù)這些器官的功能以及生活質(zhì)量，依然長路漫漫?！辈闋栒J(rèn)為，這種對病人生活質(zhì)量的損害是極不人道的?！拔矣X得一定有更好的辦法?！彼f。

對于伯查爾從事的呼吸道手術(shù)，理想情況下，組織替代材料的形狀應(yīng)該是量身定制的，可以與患者完美匹配。在定制時，醫(yī)生會先塑造一種符合患者身體特征的高分子支架，接著在體外讓細(xì)胞在這個支架上生長，然后通過手術(shù)把支架植入患者體內(nèi)。2005年左右，伯查爾用這種方法制造出了一種可以移植到豬體內(nèi)的組織工程氣管。2008年，他和西班牙的合作者獲得批準(zhǔn)，把這項技術(shù)使用到一名西班牙青年女性病人身上。這名女性在患結(jié)核病后氣管嚴(yán)重受損，命懸一線。研究人員把患者的干細(xì)胞培養(yǎng)在手術(shù)用的支架上，這些干細(xì)胞取自患者的骨髓，以防止發(fā)生免疫排斥?！翱紤]到我們當(dāng)時所知甚少，療效可以說出奇地好?！辈闋栒f。這名患者至今仍然健在，而且生活質(zhì)量很高。

通常來說，這些干細(xì)胞需要信號來觸發(fā)它們增殖并引導(dǎo)它們向相應(yīng)的細(xì)胞命運分化。例如，從肌肉、骨髓或脂肪中獲得的間充質(zhì)干細(xì)胞（mesenchymal stem cell）將根據(jù)周圍組織的硬度選擇不同的命運：它們會發(fā)育成與周圍組織硬度最匹配的細(xì)胞類型。這就好像干細(xì)胞會捏一下周圍的組織，以此來決定分化成哪種類型的細(xì)胞。因此，環(huán)境中的機械信號可以引導(dǎo)這些細(xì)胞的分化。此外，生物化學(xué)因子（如轉(zhuǎn)錄因子）也可以決定細(xì)胞的命運。

在組織工程中使用成體干細(xì)胞仍然是一項剛興起的技術(shù)，但其前景無比廣闊。單個器官中可能存在幾種不同的細(xì)胞類型，如肝臟中的膽管細(xì)胞、肝細(xì)胞和血管細(xì)胞，但這些細(xì)胞往往源自同一個細(xì)胞譜系。因此，如果給予合適的信號，相同的干細(xì)胞就可能分化成器官中不同類型的細(xì)胞。從病人身上獲取成體干細(xì)胞很難，但還有另一種選擇：使用從病人的已分化細(xì)胞（比如皮膚細(xì)胞）培養(yǎng)而來的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞。蘭格和瓦坎蒂認(rèn)為，誘導(dǎo)多能干細(xì)胞可以成為“構(gòu)建組織結(jié)構(gòu)的理想材料”，但必須對這些細(xì)胞在體內(nèi)發(fā)育成腫瘤的傾向嚴(yán)加防范。胚胎干細(xì)胞也可以被用于這些領(lǐng)域，但免疫排斥的問題依然存在，患者需要接受一定劑量的免疫抑制藥物。

當(dāng)今的人造器官“建筑師”們對前景持樂觀態(tài)度。2002年，美國組織工程公司先進(jìn)細(xì)胞技術(shù)公司（Advanced Cell Technologies）的羅伯特·蘭扎（Robert Lanza）大膽預(yù)言：

如果這項 [有關(guān)干細(xì)胞的] 研究能夠繼續(xù)推進(jìn)下去，那么當(dāng)我們活到遲暮之年時，使用誘導(dǎo)多能干細(xì)胞將是一件常規(guī)的事情。你只需要去醫(yī)生的辦公室采集一個自己的皮膚細(xì)胞，他們就能培養(yǎng)出一個新的器官或者一些新的組織，比如一個新的肝臟或者腎臟。在接受移植手術(shù)后，你的病痛就將不復(fù)存在了。這不是科幻小說里的情節(jié)，這將發(fā)生在真實的世界里。

“即使是腦卒中或者脊髓損傷后的神經(jīng)修復(fù)這樣困難的組織再生問題，我每年也都能看到新的希望。”瓦坎蒂說。然而，即便是制造相對簡單的組織，研究人員也依然面臨著很大的困難。例如，20世紀(jì)90年代中期，瓦坎蒂和其他一些研究者設(shè)計出了人工軟骨。和皮膚一樣，軟骨不需要廣泛的血管網(wǎng)絡(luò)，但軟骨移植后傷口的愈合過程非常復(fù)雜：隨著時間的推移，人工合成的軟骨往往會被機體重新吸收，導(dǎo)致組織變形。正因為如此，這些材料至今仍然沒有在人體上使用過。細(xì)胞有自己的“計劃”，我們對這些“計劃”還了解得不夠，更不知道如何操控它們?！斑@是一門艱深的學(xué)問。”瓦坎蒂承認(rèn)道。

要把細(xì)胞培養(yǎng)成具有預(yù)定形狀的人造器官，還有另一種方法：不使用合成的高分子材料支架，而是以真正的供體器官的“骨架”取而代之。在器官中，組成器官的細(xì)胞被一種稱為“細(xì)胞外基質(zhì)”（extracellular matrix）的堅韌網(wǎng)絡(luò)連接到一起，這個網(wǎng)絡(luò)是由細(xì)胞分泌的各種生物分子構(gòu)成的。在動物組織中，細(xì)胞外基質(zhì)的成分通常是糖基聚合物（多糖）和形成纖維的蛋白，比如膠原蛋白和有延展性的彈性蛋白（elastin）[5]。細(xì)胞表面的一些分子能牢固地黏附在這些基質(zhì)成分上。（膠原蛋白之所以非常適合充當(dāng)合成支架的原材料，就是因為這種蛋白是細(xì)胞外基質(zhì)成分的一種。）

這種方法的原理是用去垢劑（detergent）和酶移除掉供體器官中的所有細(xì)胞，只留下“脫細(xì)胞”（decellularized）的基質(zhì)，為接受器官移植的人或者動物的細(xì)胞提供生長的支架。由于供體細(xì)胞已經(jīng)徹底被移除掉，因此動物的器官（比如豬心）也可以充當(dāng)支架，用于制造人類器官。

對于像皮膚這樣簡單的軟組織，脫細(xì)胞技術(shù)已經(jīng)被用于制造商業(yè)化的產(chǎn)品，使用的原材料包括豬、牛甚至人的皮膚（真皮）和腸。馬丁·伯查爾用豬和人的脫細(xì)胞氣管支架都進(jìn)行過實驗。事實上，2008年他在那名西班牙女患者的手術(shù)中就使用了這種脫細(xì)胞的支架，這個支架來源于一名51歲已故女性的一段氣管。對于復(fù)雜的器官，研究還停留在動物實驗的階段。使用大鼠的脫細(xì)胞支架，研究人員已經(jīng)制造出人工的肺、腎和心臟，但這些器官移植后的結(jié)果好壞不一。例如，移植的人工腎臟能夠產(chǎn)生類似尿的液體，但移植的人工肺卻很快就會充滿液體。

2013年，匹茲堡大學(xué)醫(yī)學(xué)院的一個研究團隊發(fā)表了一項研究，在這項研究中，他們使用源自小鼠的支架制造出了人類的迷你心臟。這些研究人員首先用人誘導(dǎo)多能干細(xì)胞培養(yǎng)出心血管組織的前體細(xì)胞，然后把這些細(xì)胞培養(yǎng)在用小鼠心臟制成的脫細(xì)胞支架上。這些細(xì)胞不僅在支架上蔓延開來，而且分化成了心臟中特定種類的細(xì)胞，包括心肌細(xì)胞、其他肌肉細(xì)胞和形成血管的內(nèi)皮細(xì)胞。在用含有生長因子的培養(yǎng)基灌流20天后，這種人工心臟開始以每分鐘40~50次的頻率出現(xiàn)自發(fā)的收縮，這已經(jīng)勉強可以看作心跳了。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，這種人工心臟對影響人類心臟搏動的藥物也有反應(yīng)。

那么，培養(yǎng)皿中的這個東西，是一顆跳動的迷你人類心臟嗎？只能說某種程度上算是，畢竟能夠收縮并不意味著它能正常行使心臟的功能。但這項研究也表明，利用大小相當(dāng)?shù)拿摷?xì)胞器官（比如豬心），我們也許能夠制造出正常大小的人類心臟。

組織工程將鮮活的血肉作為一種材料來塑造、成形、變換。如果說有一種技術(shù)體現(xiàn)了我們在這一理念上的成就，那么這種技術(shù)就是3D生物打印。3D生物打印把細(xì)胞作為打印的“墨水”，就像家用打印機的彩色墨水一樣。在打印過程中，細(xì)胞被從一個精細(xì)的噴頭一層層地噴到指定的位置，從而形成復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。

常規(guī)的3D打印技術(shù)正在推動整個制造業(yè)的技術(shù)變革，可以被用于制造從機械部件到藝術(shù)雕塑的各種物體。在打印的過程中，打印頭會擠出樹脂或者噴出金屬、陶瓷、石膏粉末，這些粉末在經(jīng)過處理后可以被焊接或者固定成堅固的結(jié)構(gòu)。在計算機的控制下，3D打印系統(tǒng)可以制造幾乎任何奇形怪狀的物體，無論是陶器還是發(fā)動機零件。3D打印甚至可以用來制造食物“雕塑”，比如用意大利面或者巧克力來制作絢麗的作品；紡織品現(xiàn)在也可以通過3D打印的方式制造出來。隨著3D打印機越來越便宜，公司甚至個人已經(jīng)可以根據(jù)需要打印各種物品：不再需要向供應(yīng)商訂購，只需下載相應(yīng)的打印說明即可。一些未來學(xué)家預(yù)言，一個新的時代即將到來。到那時，“購物”這個詞的意思將變成“按下打印按鈕”。但我們需要注意，技術(shù)上的可能性和商業(yè)及社會經(jīng)濟上的可行性并不是一回事。

既然如此，為什么不用這種方法來制作人體器官呢？2014年，威爾士斯旺西的莫里斯頓醫(yī)院收治了一名摩托車事故的傷者。在手術(shù)中，醫(yī)生使用特制的3D打印鈦部件將傷者受損的面部骨骼固定到一起。這是3D生物打印最早的臨床應(yīng)用之一。這類定制的金屬移植物或者生物可降解高分子支架是為病人量身定做的，有望得到廣泛應(yīng)用。事實上，它們已經(jīng)在顱面外科領(lǐng)域小試牛刀，用來為骨替代材料塑形。3D打印機可以打印出無比紛繁復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，或者精確地復(fù)制器官或者組織的形狀。你可以在手術(shù)前用CT掃描技術(shù)（計算機斷層掃描，一種先進(jìn)的X射線掃描形式）掃描出病人的解剖結(jié)構(gòu)，然后借助3D打印來制造尺寸和形狀分毫不差的成品。使用這種方法，密歇根大學(xué)的研究人員為一名患兒定制打印了一個高分子套管，這個套管完全由合成材料構(gòu)成，可以防止患兒氣管畸形的部分發(fā)生塌陷并阻塞呼吸道。喉部植入物的形狀也必須完美匹配患者的相關(guān)結(jié)構(gòu)。伯查爾預(yù)測，有朝一日，喉部植入物將由3D打印的生物可降解支架制成，支架上鋪有病人的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞。

當(dāng)噴頭噴出的是生物組織時，也就是當(dāng)我們開始打印血肉組成的器官時，這項技術(shù)的應(yīng)用前景就更無可限量了。在這種情況下，“墨水”由一團團活細(xì)胞組成，這些細(xì)胞通常被包裹在柔軟并且具有生物相容性的高分子或凝膠液滴中，以防止細(xì)胞在高速通過噴頭和沖擊到物體表面時受到損傷。雖然這種技術(shù)尚不成熟，但毋庸置疑的是，細(xì)胞可以在打印的過程中存活下來并被組裝成復(fù)雜的形狀。研究人員已經(jīng)在動物身上進(jìn)行過3D生物打印試驗，比如，通過將形成皮膚和軟骨的細(xì)胞直接打印到損傷部位，能夠加速傷口的愈合。扁平的組織相對容易打印，血管、氣管等管狀結(jié)構(gòu)的打印也能實現(xiàn)。然而，對于肝臟和心臟這樣的實性立體器官，打印起來挑戰(zhàn)性會非常大，因此這些領(lǐng)域還任重道遠(yuǎn)。

另一種更實惠的生物打印方法是像擠牙膏一樣把生物材料擠出來，但噴頭要精細(xì)得多。這里的“牙膏”通常同樣是一種柔軟并具有生物相容性的高分子材料，材料中充滿了細(xì)胞。在打印過程中，這些細(xì)胞被逐層“寫”成需要的樣式。并不是所有細(xì)胞都能在擠出后存活下來，但通常超過半數(shù)的細(xì)胞都能存活。

3D生物打印可以為體外培養(yǎng)的器官和組織提供模式化的血管網(wǎng)絡(luò)。在一項研究中，哈佛大學(xué)的詹妮弗·劉易斯（Jennifer Lewis）領(lǐng)導(dǎo)的團隊培養(yǎng)出了包含三維網(wǎng)格狀血管網(wǎng)絡(luò)的組織。這些研究人員首先用高分子墨水打印出血管網(wǎng)格，這些高分子材料稍后可以被洗去，這與傳統(tǒng)鑄造工藝中使用可去除的蠟?zāi)５牟呗韵嗤?。他們隨后把包裹在凝膠中的細(xì)胞打印在這個網(wǎng)絡(luò)上并把凝膠液滴融合到一起，制成一種堅固的材料。在把構(gòu)成血管網(wǎng)絡(luò)的墨水洗去后，人造組織中就留下了中空的通道。最后，研究人員向這些通道中注入上皮細(xì)胞，這些細(xì)胞就能在通道壁上形成一層沒有通透性的血管樣涂層。使用這種方法，劉易斯的團隊制造出了超過1厘米厚的由成纖維細(xì)胞構(gòu)成的組織，其中的細(xì)胞可以借助人工血管網(wǎng)絡(luò)中流淌的血液存活超過6周。通過向培養(yǎng)液中加入相應(yīng)的轉(zhuǎn)錄因子，研究人員把這些細(xì)胞誘導(dǎo)分化

成了一種成骨細(xì)胞并觀察到骨骼開始生長。這是制造骨骼的第一步，這種新骨骼附有縱橫交錯的血管，可以在原有骨骼遭受不可逆損傷時完全復(fù)制受損骨骼的形狀。

弗拉基米爾·米羅諾夫（Vladimir Mironov）是俄羅斯一家名為“3D生物打印解決方案”（3D Bioprinting Solutions）的初創(chuàng)公司的負(fù)責(zé)人，他認(rèn)為生物打印人體器官很快就會成為現(xiàn)實。他的公司目前致力于用這種方法打印小鼠的甲狀腺，其長遠(yuǎn)目標(biāo)則是打印出人類的腎臟。米羅諾夫堅信，人類最終能夠?qū)崿F(xiàn)“皮格馬利翁夢想”（Pygmalion’s dream）：打印出整個有功能的人體。（在希臘神話中，雕塑家皮格馬利翁雕刻出了一尊絕世美人的雕像，以至于他對雕像心生愛慕。愛神阿佛洛狄忒被皮格馬利翁打動了，在他親吻雕像時賜予了雕像生命。）米羅諾夫表示，細(xì)胞具有自我組織的能力，會自己處理細(xì)節(jié)，打印機只需要把這些細(xì)胞大致以正確的密度打印在正確的位置就行了。

我不確定以望文生義的方式理解上述想法是否合適。打印人體的做法會成為《驚奇故事》雜志的又一絕佳素材——“打印妻子的男人”只是一種未經(jīng)推敲的隱喻，技術(shù)文化變革的浪潮在其中恣意狂歡。然而，打印制造人類很難滿足任何迫切的臨床或社會需求。

因此，批評人士可能把米羅諾夫的想法視為純粹的炒作。但我們也可以更寬容一點，把這種想法看作激進(jìn)的思想實驗，因為3D打印的關(guān)鍵是你可以隨心所欲地制作任意形狀的物體，而且要想正常執(zhí)行其功能，3D打印的器官的形狀以及細(xì)胞組織方式不一定必須和正常器官一模一樣——例如，詹妮弗·劉易斯打印的血管就與正常的血管存在差異。一個簡化的、理想化的器官結(jié)構(gòu)也許完全能滿足生理需求。這些器官的形狀還可能更加規(guī)則，從而更易于制造。不過，目前還沒有人知道對組織和器官的重新設(shè)計在多大程度上經(jīng)得起檢驗。

你可能會接著問，通過生物打印制造出來的人體是否也可以與天然的人體有所不同？打印出來的人體同樣不需要與天然的人體一模一樣，其形狀甚至都不需要呈人形。同樣的，請保持淡定，因為這純粹是一種假設(shè)。短時間內(nèi)，不會有光怪陸離的生物被打印出來，抽搐、呻吟著從制造平臺上坐起來。但“紙上談兵”總是可以的，相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)步表明，改變細(xì)胞類型以及用細(xì)胞作為構(gòu)建材料的技術(shù)使我們能夠構(gòu)想，甚至開始深究生物學(xué)中意義深遠(yuǎn)且令人忐忑的問題。何處是我們造物能力的極限以及道德紅線？設(shè)計人體的行為應(yīng)當(dāng)受到何種約束？何謂人類？

注釋

1.此處的劍橋研究實驗室就是本書前文中提到的史澄威斯研究實驗室?！g者注

2.諾拉·伯克（1907-1976）, 英國小說家、旅行作家，以描述她20世紀(jì)初在印度的生活的作品知名?！g者注

3.雖然馬克西莫此時任職于芝加哥大學(xué)，但醫(yī)學(xué)史家鄧肯·威爾遜指出，馬克西莫對這一時期故鄉(xiāng)發(fā)生的反布爾什維克運動所造成的混亂無序感到不安，這可能是他的措辭中帶有一絲政治寓意的原因。（這句話中“細(xì)胞”的英文單詞“cell”也有“牢房”的意思?！g者注）

4.任何厚度超過幾百微米的人體組織都需要一個血管系統(tǒng)，這樣細(xì)胞才能獲得充足的氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)。

5.此處的“彈性蛋白”是一種蛋白質(zhì)的名稱，并非泛指“有彈性的蛋白”。——譯者注

本文經(jīng)授權(quán)節(jié)選自《如何制造一個人：改造生命的科學(xué)和被科學(xué)塑造的文化》，標(biāo)題為編者所擬。

《如何制造一個人：改造生命的科學(xué)和被科學(xué)塑造的文化》，【英】菲利普·鮑爾/著 李可、王雅婷/譯，中信出版集團·新思文化，2021年6月版