徐銘恩：3D打印批量制造人體器官

杭州捷諾飛生物科技有限公司的實(shí)驗(yàn)室工廠里，徐銘恩正在用3D打印機(jī)高速打印一個(gè)個(gè)半透明的“果凍”。不過(guò)，這里不是食品加工廠。

　　一臺(tái)外觀看上去充滿未來(lái)感的銀色生物3D打印機(jī)依據(jù)電腦中的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)圖，噴射出人體活細(xì)胞和凝膠材料。猶如用混凝土構(gòu)件微型建筑，3D打印機(jī)中的“細(xì)胞墨水”在接觸到空氣的瞬間凝固。
　　真正奇異的是兩周以后，經(jīng)過(guò)培養(yǎng)液的誘導(dǎo)調(diào)控，這些“果凍”變成了一塊塊具有復(fù)雜血管結(jié)構(gòu)和器官功能的肝臟組織、脂肪組織和皮膚組織，而它們可以在人體外穩(wěn)定存活4個(gè)月。
　　“汽車(chē)壞了可以到4S店更換零部件維修，但如果人的器官壞了，現(xiàn)在還沒(méi)有一家可以隨時(shí)更換器官的4S店。”39歲的徐銘恩笑著說(shuō)，他是杭州電子科技大學(xué)教授、博導(dǎo)、捷諾飛生物科技公司創(chuàng)始人兼首席科學(xué)家。
　　當(dāng)前更換器官最直接的方法是器官移植，然而器官移植不僅費(fèi)用高昂，而且需求與供體比例嚴(yán)重失衡，大約為150：1，手術(shù)后病人還要終身服用抗排異反應(yīng)藥物；人體克隆由于受到道德倫理的挑戰(zhàn)，更是被各國(guó)明令禁止。
　　“生物3D打印技術(shù)的發(fā)展讓未來(lái)批量制造人體器官成為可能�！毙煦懚髡f(shuō)。
　　3D打印技術(shù)被視為改變制造業(yè)的顛覆性技術(shù)。相比傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)�；�制造方式，3D打印的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在于讓看似矛盾的個(gè)性化定制和批量化制造融為一體。理想條件下，只要你能想到的，就可以用3D打印的方式制造出來(lái)。
　　因此，3D打印似乎可以被應(yīng)用到各行各業(yè)。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，3D打印已經(jīng)在諸如牙科、骨科、假肢等領(lǐng)域推廣應(yīng)用。不過(guò)，用細(xì)胞打印活體組織器官的過(guò)程卻與通常的3D打印方式不盡相同，是3D打印醫(yī)學(xué)應(yīng)用的制高點(diǎn)。因?yàn)橛杉?xì)胞構(gòu)成的生物體是在生長(zhǎng)和不斷變化的，計(jì)算機(jī)中構(gòu)建的虛擬模型并非終極目標(biāo)所在，時(shí)間是三維之外的又一重要緯度。
　　生物學(xué)中一個(gè)著名實(shí)驗(yàn)是3D打印細(xì)胞組織的理論基礎(chǔ)：將老鼠的動(dòng)脈血管切成類似甜甜圈的一段一段，再將它們整齊排列放在培養(yǎng)液中培養(yǎng)72小時(shí)后，“甜甜圈”又重新連接形成可以輸送血液的功能性血管。
　　正因?yàn)檫@種生物體強(qiáng)大的“自組織”功能，科學(xué)家們想到將細(xì)胞按照組織器官的方式排列堆積，再通過(guò)培養(yǎng)和誘導(dǎo)控制細(xì)胞分化，就有可能形成一個(gè)具有功能的器官組織�！霸谡麄�(gè)組織構(gòu)建過(guò)程中，3D打印機(jī)充當(dāng)了將單個(gè)細(xì)胞精準(zhǔn)堆積的技術(shù)工具，尤其面對(duì)組織內(nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)時(shí)，3D打印優(yōu)勢(shì)盡顯�！毙煦懚鹘忉�。
　　用3D打印的方法，徐銘恩成功用脂肪干細(xì)胞重建了包含脂肪和胰島的體外組織。通過(guò)高濃度營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)加強(qiáng)培養(yǎng)記錄了這塊3D打印的脂肪組織“變肥”的過(guò)程，觀察打印在脂肪中胰島的胰島素分泌的變化進(jìn)一步驗(yàn)證了組織對(duì)人體生理功能的仿真。
　　2012年4月，這一成果被全球重要學(xué)術(shù)刊物《生物材料》（Biomaterials）的一篇關(guān)于組織工程快速構(gòu)建趨勢(shì)的評(píng)論文章贊譽(yù)為同行業(yè)中“極具魅力、最高水平”的成果，并在文章結(jié)尾對(duì)其應(yīng)用前景做出預(yù)測(cè)。

　　年輕的教授并不滿足于讓成果停留于學(xué)術(shù)，2013年1月成立的捷諾飛生物科技就是徐銘恩將學(xué)術(shù)成果轉(zhuǎn)化為商業(yè)產(chǎn)品和服務(wù)的平臺(tái)。通過(guò)研發(fā)、銷售生物3D打印機(jī)、提供生物3D打印服務(wù)等，2014年捷諾飛生物科技公司的銷售收入已經(jīng)達(dá)到數(shù)百萬(wàn)人民幣，客戶包括默克等全球排名前十的制藥巨頭。
　　今年上半年，捷諾飛完成A輪融資，估值達(dá)3億人民幣。
　　徐銘恩出生于浙江杭州的一個(gè)醫(yī)生家庭。從小在各種物理競(jìng)賽中展現(xiàn)天賦的他原本希望攻讀物理相關(guān)專業(yè)，但高中時(shí)一直陪伴自己成長(zhǎng)的外公的突然離世讓徐銘恩頗受觸動(dòng)。
　　“即便當(dāng)時(shí)外公已經(jīng)得到了最好的救治，但在ICU病房里，我們眼看著外公因腦溢血導(dǎo)致器官衰竭離去，卻無(wú)能為力�！毙煦懚骰貞�，“由此我對(duì)醫(yī)學(xué)產(chǎn)生興趣，但并不想做一名醫(yī)生，而是希望研究如何通過(guò)醫(yī)學(xué)技術(shù)創(chuàng)新來(lái)挽救更多生命。”
　　從本科到研究生，徐銘恩跨越了從藥學(xué)到生物醫(yī)學(xué)工程、材料、儀器等不同專業(yè)領(lǐng)域，直到取得博士學(xué)位。2004年，3D打印引起徐銘恩的強(qiáng)烈興趣，而他的跨學(xué)科背景恰恰成為跨入生物3D打印研究的優(yōu)勢(shì)。2005年他申請(qǐng)到清華大學(xué)機(jī)械系做3D生物打印相關(guān)研究的博士后，師從被譽(yù)為“中國(guó)3D打印第一人”的顏永年教授。從一開(kāi)始，徐銘恩便把打印細(xì)胞作為主要研究方向。
　　然而，實(shí)驗(yàn)的進(jìn)展并不如徐銘恩料想的那么順利。要讓3D打印機(jī)打印出來(lái)的細(xì)胞存活下來(lái)就是一個(gè)難題，不僅如此，打印出來(lái)的組織還必須保持相應(yīng)的結(jié)構(gòu)。
　　在剛開(kāi)始的半年多時(shí)間里，徐銘恩幾乎毫無(wú)進(jìn)展。他發(fā)現(xiàn)不是細(xì)胞在打印過(guò)程中受到損傷而無(wú)法存活，就是堆積起來(lái)的組織結(jié)構(gòu)莫名其妙地解體、消失；好不容易讓細(xì)胞活下來(lái)了，他又遇到另一個(gè)“幸福的煩惱”——細(xì)胞因?yàn)榀傞L(zhǎng)而完全吞噬了之前設(shè)置的組織結(jié)構(gòu)。自認(rèn)為“實(shí)驗(yàn)高手”的徐銘恩幾乎絕望：“我?guī)缀醯搅朔艞壍倪吘��！?br /> 　　直到2006年夏天，徐銘恩意外發(fā)現(xiàn)自己用脂肪干細(xì)胞培養(yǎng)的一塊組織不但存活，而且保留了完美的組織結(jié)構(gòu)。“從那一刻起，我終于覺(jué)得自己做的事情不再是天方夜譚�！彼�說(shuō)，并透露自己和同伴曾嘗試用油煎了這塊“人造脂肪”，甚至品嘗了它的味道。這一突破性的進(jìn)展讓徐銘恩獲得國(guó)家自然基金的支持。
　　用3D打印諸如肝臟、腎臟等復(fù)雜的器官組織則難度更大。在突破脂肪組織后，徐銘恩和團(tuán)隊(duì)成功打印出了具備肝臟基本功能的肝臟組織。肝小葉是肝臟結(jié)構(gòu)與功能的基本單位，由中央靜脈、肝板、肝血竇等復(fù)雜結(jié)構(gòu)組成，每個(gè)高2毫米、寬1毫米的肝小葉由大約10萬(wàn)個(gè)肝細(xì)胞組成。
　　基于逆向設(shè)計(jì)思維，徐銘恩團(tuán)隊(duì)首先徹底破解了肝小葉的組織架構(gòu)，并以此在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)出肝小葉的三維圖紙，再用“肝細(xì)胞墨水”打印出由成千上萬(wàn)個(gè)肝小葉組成的肝臟組織雛形，通過(guò)培養(yǎng)液的控制培養(yǎng)，形成真正的肝臟組織。
　　生物3D打印是一個(gè)新興學(xué)科，全球發(fā)展也只有10多年時(shí)間，在這方面徐銘恩顯然走在了前列。由于整個(gè)產(chǎn)業(yè)都處于起步階段，在做細(xì)胞3D打印的同時(shí)，徐銘恩還必須投入精力開(kāi)發(fā)新的3D生物打印設(shè)備。
　　然而，長(zhǎng)期依靠國(guó)家資金支持已經(jīng)不能滿足徐銘恩的需求，徐銘恩想到結(jié)合商業(yè)發(fā)展技術(shù)成果�！斑@是個(gè)跨學(xué)科的行業(yè)，但是產(chǎn)業(yè)發(fā)展處于早期萌芽狀態(tài)，所以很多人才畢業(yè)后不得不另行擇業(yè)，留住人才是我創(chuàng)立捷諾飛的初衷之一。”徐銘恩說(shuō)。在得到300萬(wàn)元的天使投資后，徐銘恩成立了公司。
　　用3D打印出用于器官移植的完整肝臟、腎臟等仍然有待時(shí)日，但徐恩銘在3D打印細(xì)胞組織方面的成果已經(jīng)足以服務(wù)龐大的商業(yè)市場(chǎng)，藥物篩選就是其中的代表。僅美國(guó)每年新藥研發(fā)的投入就達(dá)數(shù)百億美元，而諸如輝瑞、賽諾菲等國(guó)際制藥巨頭每年新藥研發(fā)投入更是達(dá)到80億至90億美元。如此巨大的投入之下，全球每年產(chǎn)生的原創(chuàng)新藥卻只有4到5個(gè)。
　　“藥物前期篩選效率低下是導(dǎo)致這一結(jié)果的主要原因。”徐銘恩稱。藥物的高通量篩選技術(shù)是以分子水平和細(xì)胞水平的實(shí)驗(yàn)方法為基礎(chǔ)，但因?yàn)槊撾x了相應(yīng)的生態(tài)環(huán)境，而使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果大打折扣；動(dòng)物模型試驗(yàn)時(shí)因動(dòng)物和人存在種屬差異，很多在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中取得效果的藥物在人身上不起作用，甚至起反作用，這也極大影響了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性�！�3D細(xì)胞打印的人體組織恰恰解決了影響藥物篩選準(zhǔn)確性的兩個(gè)主要問(wèn)題，可以高度提升藥物篩選效率，”徐銘恩肯定地說(shuō)，“我們預(yù)計(jì)這一市場(chǎng)的規(guī)�？梢赃_(dá)到10億美元�！�
　　被視為全球3D生物打印創(chuàng)新領(lǐng)導(dǎo)者、已在納斯達(dá)克上市的創(chuàng)新器官公司（OrganovoHoldings,Inc.）同樣是一家以提供3D打印細(xì)胞組織產(chǎn)品和相關(guān)服務(wù)的先鋒公司。這家年銷售77萬(wàn)美元、凈虧損達(dá)到3,200萬(wàn)美元的公司在今年9月的市值約3.8億美元。2014年他們推出自己的3D打印人體肝臟組織產(chǎn)品exVive3D，并宣稱獲得約200萬(wàn)美元訂單。他們計(jì)劃2016年推出人體腎臟組織產(chǎn)品，并涉足3D生物打印機(jī)領(lǐng)域。

　　今年10月，捷諾飛也將正式宣布對(duì)外銷售商品化的3D打印肝臟組織產(chǎn)品Regenovo3D Liver；與此同時(shí)，代表更高效率的下一代多功能生物3D打印工作平臺(tái)也將面世。新的3D打印平臺(tái)功能全面、操作便捷，可以將復(fù)雜組織單元的打印效率提升到每小時(shí)36個(gè)，而且良品率幾乎達(dá)到100%。毋庸置疑，創(chuàng)新器官公司將遭遇一個(gè)來(lái)自中國(guó)的強(qiáng)大競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手�！盁o(wú)論在營(yíng)收還是技術(shù)方面，我們都自信可以做得更好�！毙煦懚鞣Q。
　　醫(yī)用輔具市場(chǎng)是捷諾飛看好的另一大市場(chǎng)，包括醫(yī)用手術(shù)導(dǎo)板、手術(shù)模擬和醫(yī)用康復(fù)輔市場(chǎng)，捷諾飛把目光放在了門(mén)檻較高的個(gè)性化術(shù)前模擬的服務(wù)提供方面�！耙酝�手術(shù)成敗與醫(yī)生的臨床經(jīng)驗(yàn)關(guān)系密切，但是有了3D打印后，我們可以在手術(shù)以前把病人需要做手術(shù)的部位完全仿真出來(lái)，讓醫(yī)生以此制定手術(shù)方案，甚至實(shí)際操作演練�！毙煦懚髡f(shuō)。
　　左心耳封堵術(shù)就是一項(xiàng)極其考驗(yàn)醫(yī)生臨床能力的心臟手術(shù)。左心耳是長(zhǎng)在左心臟上的一個(gè)小耳朵，全球大約有10%的人在發(fā)育過(guò)程中不能封閉，而血液長(zhǎng)期滯留在左心耳中凝結(jié)，一旦出來(lái)極易導(dǎo)致血栓。全球大醫(yī)療公司推出了左心耳封堵器，依次來(lái)防止左心耳中的凝結(jié)的血液外流。
　　然而，這一手術(shù)給醫(yī)生造成極大困擾，原因在于每個(gè)病人左心耳的位置以及左心耳的大小都各不相同，而在手術(shù)過(guò)程需要X光照射，所以手術(shù)時(shí)間對(duì)于減少病人和醫(yī)生的輻射都極其重要。針對(duì)這一需求，捷諾飛在手術(shù)前對(duì)病人手術(shù)部位進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，并3D打印制作出相關(guān)手術(shù)模型，讓醫(yī)生在手術(shù)前就選擇好合適的封堵器。“我們的服務(wù)讓手術(shù)時(shí)間減少了2/3，目前正在為一些全球大公司服務(wù)。”徐銘恩說(shuō)。
　　相比器官移植，3D生物打印在整形和軟骨修復(fù)方面的應(yīng)用市場(chǎng)已經(jīng)啟動(dòng)。脂肪組織的打印技術(shù)已經(jīng)比較成熟，它們作為可以避免產(chǎn)生排異反應(yīng)的隆胸手術(shù)填充物可能會(huì)是絕佳的選擇，而且市場(chǎng)空間廣闊。軟骨修復(fù)同樣是一塊觸手可及的潛力市場(chǎng)，在徐銘恩的實(shí)驗(yàn)室，打印一個(gè)耳朵的軟骨已經(jīng)是輕而易舉的事情。
　　徐銘恩還在嘗試一些有挑戰(zhàn)性的項(xiàng)目，在細(xì)胞和電子傳感器芯片之間建立連接。在一個(gè)能夠感受細(xì)胞生長(zhǎng)的傳感器芯片上打印細(xì)胞，通過(guò)傳感器檢測(cè)細(xì)胞的功能以及活性，從而形成一個(gè)細(xì)胞芯片。
　　“目前我們已經(jīng)用這個(gè)細(xì)胞芯片來(lái)做藥物篩選，并且篩選出了一些很有前途的抗腫瘤藥物，”徐銘恩透露，“長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這項(xiàng)技術(shù)如果繼續(xù)發(fā)展下去，我們很可能打印出人造的感官器官，比如眼球內(nèi)的視網(wǎng)膜、鼻子內(nèi)的嗅上皮，甚至未來(lái)可能把一個(gè)器官通過(guò)一個(gè)接口與人的大腦連接�！�
　　“谷歌總工程師庫(kù)茲威爾（RayKurzweil）曾預(yù)言，人類已處于永生的邊緣；我覺(jué)得違反自然規(guī)律的永生不一定合理，而我們工作的最大熱情是讓家人以及很多不認(rèn)識(shí)的人生活得更長(zhǎng)久、更健康�！痹谝粋�(gè)公開(kāi)演講中徐銘恩如此感慨。
（來(lái)自：福布斯中文網(wǎng)）

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