蔚來的“大降價”和“造車新勢力”的集體焦慮
2023-02-06
基因編輯、3D生物打印將如何改變“移植器官荒”？
更新時間：2023-02-05 10:05:20作者：智慧百科
2022年初，一場在美國馬里蘭大學醫(yī)學中心完成的心臟移植手術引起了全球關注，因為移植到這名57歲患者大衛(wèi)·貝內特體內的，是一顆接受過“基因修飾”的豬心臟。根據馬里蘭大學醫(yī)學中心的介紹，他們對這顆心臟原來的豬主人進行了10處基因修改，同時結合創(chuàng)新藥物的使用，以預防移植后排異反應的發(fā)生，最終使得這顆豬心臟能在貝內特體內正常發(fā)揮作用。
雖然貝內特在移植手術兩個月后就去世了（執(zhí)行該手術的醫(yī)生表示可能是豬心臟帶有病毒所致），但這場全球首例人移植轉基因豬心臟手術，依然具有重大的意義，它驗證了相關技術的可行性，這也意味著長期以來困擾臨床醫(yī)療的供體器官短缺問題將有望得到解決。
根據世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計，全球每年大約有200萬人需要進行器官移植，而全球平均器官供需比不到1:20，供體器官短缺是需要移植器官的患者們面臨的最大難題，這也是全球科學界致力于解決的問題之一。近幾年，異種器官移植、人造器官技術也都在快速發(fā)展，在解決“移植器官荒”方面有極大的潛力。那么，在未來，這些技術將在多大程度上滿足器官移植需求？又將如何改變人類的未來？
基因編輯助力異種器官移植
器官移植是治療終末期器官功能衰竭的最有效方法，然而在全球范圍內，人類器官來源嚴重短缺，極大限制了相關臨床治療的推進。不平衡的供需現狀，也讓科學界轉而將目光投向異種生物。
事實上，異種器官移植研究已有較長的發(fā)展歷史，根據《紐約時報》的報道，早在20世紀60年代，就已有手術嘗試將黑猩猩的腎臟移植到人類患者體內，當然，彼時的技術水平自然是無法帶來理想的效果。在之后幾十年里，異種器官移植的研究不斷推進。不過，在20世紀80年代到90年代，幾起失敗的案例卻讓異種移植的研究熱度跌至冰點。
1984年，美國洛杉磯的一名醫(yī)生給一個早產女嬰進行了狒狒心臟移植，手術后女嬰僅存活1周就死亡；1992年6月，美國匹茲堡的一名醫(yī)生對兩位患者進行狒狒肝臟移植，其中一位患者于術后70天死于復合性感染，另1位于術后26天死于膽道并發(fā)癥腹膜炎；1992年10月，美國一名醫(yī)生對一位暴發(fā)性肝昏迷患者實施了豬肝臟移植，患者在移植術完成24小時后死亡。
在這幾例異種移植失敗案例發(fā)生后，異種器官移植臨床應用被禁止，隨之進入了將近30年的“冷凍期”。近年來，隨著免疫生物學、基因工程學等研究的推進以及基因編輯等技術的發(fā)展，異種器官移植的可行性逐步提高，不過，異種器官移植所面臨的包括移植排斥反應、移植物功能不全以及可能存在的傳染病風險等，對于醫(yī)療人員來說依然十分棘手。其中，免疫排斥反應是異種器官移植所面臨的最大難題。為此，科學家們嘗試通過基因工具，修改那些導致異種器官排斥反應的基因，以此保障異種器官移植的成功。
本文開頭提到的這場手術中，供體豬正是經過了基因編輯，同時結合了創(chuàng)新藥物的使用，降低了移植后排斥反應發(fā)生的概率。據介紹，科學家們對這頭供體豬經過10種基因修飾，包括GGTA1、CMAH、B4GALNT2和GHR的敲除以及人類CD46、CD55、TM、EPCR、CD47和HO1的導入。其中，3個可以激活人抗體的糖基化抗原基因GGTA1、CMAH和B4GALNT2被敲除；生長激素受體基因GHR被敲除，防止心臟過度生長；6個可以減輕免疫排斥反應的人源基因CD46、CD55、TM、EPCR、CD47和HO1則被導入。
雖然貝內特在術后兩個月不幸死亡，但這一場實驗性手術至少證明了借助基因修飾手段的動物心臟可以在人體內發(fā)揮作用且不會立即被排斥。而在此之前，已有3例基因編輯GTKO豬腎臟體外移植到腦死亡患者的案例。其中，2021年10月20日，世界首例豬腎移植手術在紐約大學醫(yī)學院朗格醫(yī)療中心完成。
異種器官移植的發(fā)展將很好地解決供體器官不足的問題，基因編輯等技術也有希望很好地解決宿主對植入器官的排斥反應，不過對于科學家以及患者們而言，如果能夠使用自體細胞發(fā)育或打造出人造器官，從源頭處消除移植排斥等問題，無疑是更好的選擇。
3D生物打印的潛力
美國生物學家、諾貝爾獎得主吉爾伯特曾預言：“用不了50年，人類將能夠培育出人體所有器官。”隨著再生醫(yī)學、基因工程等研究的發(fā)展，這一預言在逐漸成為現實。3D生物打印、干細胞培養(yǎng)“類器官”等技術正在為人類提供可以滿足不同需求的人造器官。
2019年4月15日，以色列特拉維夫大學宣布該學校實驗室3D打印出了一顆“心臟”，根據特拉維夫大學實驗團隊負責人之一阿薩夫·沙皮爾介紹，這是世界上第一個利用患者自己的細胞和生物材料3D打印出的三維血管化的工程心臟，亦即具有血管組織的三維人造心臟。
從技術原理來看，3D打印心臟的技術首先會從實驗者的脂肪組織中提取人類細胞，然后將其改造成干細胞，進一步將細胞分化為心臟中各種類型的心臟細胞，之后這些新的心臟細胞將與無機材料混合，制成生物墨水，最終進行3D打印。由于使用的是患者自己的細胞，因此可以避免出現器官移植過程中常見的排斥反應，這無疑讓移植手術的成功有了更大的保障。
由于心臟體積大、細胞種類繁多且需要自主跳動才能具有功能，因而打印3D心臟比打印其他臟器更為復雜，所以這項成果也顯得意義重大。在特拉維夫團隊實現了這一實驗成果之后，3D打印心臟也在不斷發(fā)展。2022年7月，一篇發(fā)表于國際頂尖學術期刊《科學》名為《用聚焦旋轉噴射紡絲重建心臟的螺旋結構-功能關系》的論文指出，其所采用的聚焦旋轉噴射紡絲 (FRJS)是一種增材制造方法，可以快速制造具有3D幾何形狀可編程排列的微/納米纖維支架。該團隊認為，FRJS允許快速制造在三個維度上具有可編程纖維排列的結構，借此可以重建迄今為止通過當前生物制造技術無法獲得的復雜解剖結構。該科研成果也被美國科學促進會評為器官生物制造的重要一步。
雖然目前3D打印心臟尚未有臨床應用案例，但已經有3D打印的器官、組織如下頜骨、器官支架、顱骨、脊柱、骨盆等進入臨床。以我國為例，早在2001年，我國就成功完成了國際首例將3D打印技術用于頜面的修復手術。近幾年也陸續(xù)出現了“術前病變模型打印制作”“定制個性化假體與體內植入物”等案例。
“按需器官制作”未來可期
無論是異種器官移植還是3D器官打印，技術的發(fā)展始終是人類應對疾病、衰老的有力武器，每一項技術實驗的推進，都在預示著人類社會下一個明媚的未來?！鞍葱杵鞴僦谱鳌币蚱湓诰徑馊祟惞w器官緊缺方面所具備的巨大潛力，被《麻省理工科技評論》評為“2023年全球十大突破性技術”之一，大衛(wèi)·貝內特的心臟移植手術也是繞不開的一場意義重大的突破性實踐。
在《麻省理工科技評論》看來，未來器官工程可能根本不需要動物。目前，全球多個研究團隊正在探索如何從頭開始設計復雜組織，其中包括肺部形狀的 3D 打印支架，還有從干細胞中培養(yǎng)出的泛用“類器官”，用來模仿特定器官。不過，大部分研究尚處于早期階段。無論是在動物體內生長，還是在制造工廠內培育，可以無限供應的人造器官都會使移植變得更加普遍，讓更多的患者獲得救治。
《麻省理工科技評論》自創(chuàng)辦以來，始終關注對人類社會發(fā)展有著重大價值的前沿科技，如今“全球十大突破性技術”榜單也已伴隨我們走過22載光陰，超200項的突破性技術正如一部前沿科技發(fā)展史，記錄了時間長河中那些閃閃發(fā)光的技術靈感和科技突破。
2022年，《麻省理工科技評論》攜手DeepTech推出圖書《科技之巔：全球突破性技術創(chuàng)新與未來趨勢（20周年珍藏版）》，該書系統(tǒng)性地梳理、總結了過去20年來由《麻省理工科技評論》發(fā)布的200余項“全球十大突破性技術”，按照“生命科學、信息工程、資源與能源、工程制造、智慧生活”五大領域分別進行剖析，同時邀請學術、產業(yè)、資本界權威對一些領域技術的特點、產業(yè)應用現狀、未來發(fā)展趨勢以及投資潛力進行了深度解讀和專業(yè)點評，以期為各界人士提供了解各學科領域、洞察科技發(fā)展、發(fā)掘投資商機的最佳途徑。
目前，該書已正式上線發(fā)售，點擊下圖可以購買圖書！讓我們一起鑒過往，知未來！