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2022年初，一場(chǎng)在美國(guó)馬里蘭大學(xué)醫(yī)學(xué)中心完成的心臟移植手術(shù)引起了全球關(guān)注，因?yàn)橐浦驳竭@名57歲患者大衛(wèi)·貝內(nèi)特體內(nèi)的，是一顆接受過“基因修飾”的豬心臟。根據(jù)馬里蘭大學(xué)醫(yī)學(xué)中心的介紹，他們對(duì)這顆心臟原來的豬主人進(jìn)行了10處基因修改，同時(shí)結(jié)合創(chuàng)新藥物的使用，以預(yù)防移植后排異反應(yīng)的發(fā)生，最終使得這顆豬心臟能在貝內(nèi)特體內(nèi)正常發(fā)揮作用。

雖然貝內(nèi)特在移植手術(shù)兩個(gè)月后就去世了（執(zhí)行該手術(shù)的醫(yī)生表示可能是豬心臟帶有病毒所致），但這場(chǎng)全球首例人移植轉(zhuǎn)基因豬心臟手術(shù)，依然具有重大的意義，它驗(yàn)證了相關(guān)技術(shù)的可行性，這也意味著長(zhǎng)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(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)，全球每年大約有200萬人需要進(jìn)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(xué)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(shù)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(shù)將在多大程度上滿足器官移植需求？又將如何改變?nèi)祟惖奈磥恚?/p>

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(nèi)，人類器官來源嚴(yán)重短缺，極大限制了相關(guān)臨床治療的推進(jìn)。不平衡的供需現(xiàn)狀，也讓科學(xué)界轉(zhuǎn)而將目光投向異種生物。

事實(shí)上，異種器官移植研究已有較長(zhǎng)的發(fā)展歷史，根據(jù)《紐約時(shí)報(bào)》的報(bào)道，早在20世紀(jì)60年代，就已有手術(shù)嘗試將黑猩猩的腎臟移植到人類患者體內(nèi)，當(dāng)然，彼時(shí)的技術(shù)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(jìn)。不過，在20世紀(jì)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(diǎn)。

1984年，美國(guó)洛杉磯的一名醫(yī)生給一個(gè)早產(chǎn)女嬰進(jìn)行了狒狒心臟移植，手術(shù)后女嬰僅存活1周就死亡；1992年6月，美國(guó)匹茲堡的一名醫(yī)生對(duì)兩位患者進(jìn)行狒狒肝臟移植，其中一位患者于術(shù)后70天死于復(fù)合性感染，另1位于術(shù)后26天死于膽道并發(fā)癥腹膜炎；1992年10月，美國(guó)一名醫(yī)生對(duì)一位暴發(fā)性肝昏迷患者實(shí)施了豬肝臟移植，患者在移植術(shù)完成24小時(shí)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(yīng)用被禁止，隨之進(jìn)入了將近30年的“冷凍期”。近年來，隨著免疫生物學(xué)、基因工程學(xué)等研究的推進(jìn)以及基因編輯等技術(shù)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(yīng)、移植物功能不全以及可能存在的傳染病風(fēng)險(xiǎn)等，對(duì)于醫(yī)療人員來說依然十分棘手。其中，免疫排斥反應(yīng)是異種器官移植所面臨的最大難題。為此，科學(xué)家們嘗試通過基因工具，修改那些導(dǎo)致異種器官排斥反應(yīng)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(chǎng)手術(shù)中，供體豬正是經(jīng)過了基因編輯，同時(shí)結(jié)合了創(chuàng)新藥物的使用，降低了移植后排斥反應(yīng)發(fā)生的概率。據(jù)介紹，科學(xué)家們對(duì)這頭供體豬經(jīng)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(dǎo)入。其中，3個(gè)可以激活人抗體的糖基化抗原基因GGTA1、CMAH和B4GALNT2被敲除；生長(zhǎng)激素受體基因GHR被敲除，防止心臟過度生長(zhǎng)；6個(gè)可以減輕免疫排斥反應(yīng)的人源基因CD46、CD55、TM、EPCR、CD47和HO1則被導(dǎo)入。

雖然貝內(nèi)特在術(shù)后兩個(gè)月不幸死亡，但這一場(chǎng)實(shí)驗(yàn)性手術(shù)至少證明了借助基因修飾手段的動(dòng)物心臟可以在人體內(nèi)發(fā)揮作用且不會(huì)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(shù)在紐約大學(xué)醫(yī)學(xué)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(shù)也有希望很好地解決宿主對(duì)植入器官的排斥反應(yīng)，不過對(duì)于科學(xué)家以及患者們而言，如果能夠使用自體細(xì)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(guó)生物學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)得主吉爾伯特曾預(yù)言：“用不了50年，人類將能夠培育出人體所有器官?！彪S著再生醫(yī)學(xué)、基因工程等研究的發(fā)展，這一預(yù)言在逐漸成為現(xiàn)實(shí)。3D生物打印、干細(xì)胞培養(yǎng)“類器官”等技術(shù)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(xué)宣布該學(xué)校實(shí)驗(yàn)室3D打印出了一顆“心臟”，根據(jù)特拉維夫大學(xué)實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人之一阿薩夫·沙皮爾介紹，這是世界上第一個(gè)利用患者自己的細(xì)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(shù)原理來看，3D打印心臟的技術(shù)首先會(huì)從實(shí)驗(yàn)者的脂肪組織中提取人類細(xì)胞，然后將其改造成干細(xì)胞，進(jìn)一步將細(xì)胞分化為心臟中各種類型的心臟細(xì)胞，之后這些新的心臟細(xì)胞將與無機(jī)材料混合，制成生物墨水，最終進(jìn)行3D打印。由于使用的是患者自己的細(xì)胞，因此可以避免出現(xiàn)器官移植過程中常見的排斥反應(yīng)，這無疑讓移植手術(shù)的成功有了更大的保障。

由于心臟體積大、細(xì)胞種類繁多且需要自主跳動(dòng)才能具有功能，因而打印3D心臟比打印其他臟器更為復(fù)雜，所以這項(xiàng)成果也顯得意義重大。在特拉維夫團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了這一實(shí)驗(yàn)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(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》名為《用聚焦旋轉(zhuǎn)噴射紡絲重建心臟的螺旋結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系》的論文指出，其所采用的聚焦旋轉(zhuǎn)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(tuán)隊(duì)認(rèn)為，F(xiàn)RJS允許快速制造在三個(gè)維度上具有可編程纖維排列的結(jié)構(gòu)，借此可以重建迄今為止通過當(dāng)前生物制造技術(shù)無法獲得的復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)。該科研成果也被美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)評(píng)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(yīng)用案例，但已經(jīng)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(jìn)入臨床。以我國(guó)為例，早在2001年，我國(guó)就成功完成了國(guó)際首例將3D打印技術(shù)用于頜面的修復(fù)手術(shù)。近幾年也陸續(xù)出現(xiàn)了“術(shù)前病變模型打印制作”“定制個(gè)性化假體與體內(nèi)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(shù)的發(fā)展始終是人類應(yīng)對(duì)疾病、衰老的有力武器，每一項(xiàng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)的推進(jìn)，都在預(yù)示著人類社會(huì)下一個(gè)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(píng)論》評(píng)為“2023年全球十大突破性技術(shù)”之一，大衛(wèi)·貝內(nèi)特的心臟移植手術(shù)也是繞不開的一場(chǎng)意義重大的突破性實(shí)踐。

在《麻省理工科技評(píng)論》看來，未來器官工程可能根本不需要?jiǎng)游铩Ｄ壳?，全球多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)正在探索如何從頭開始設(shè)計(jì)復(fù)雜組織，其中包括肺部形狀的 3D 打印支架，還有從干細(xì)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(dòng)物體內(nèi)生長(zhǎng)，還是在制造工廠內(nèi)培育，可以無限供應(yīng)的人造器官都會(huì)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(píng)論》自創(chuàng)辦以來，始終關(guān)注對(duì)人類社會(huì)發(fā)展有著重大價(jià)值的前沿科技，如今“全球十大突破性技術(shù)”榜單也已伴隨我們走過22載光陰，超200項(xiàng)的突破性技術(shù)正如一部前沿科技發(fā)展史，記錄了時(shí)間長(zhǎng)河中那些閃閃發(fā)光的技術(shù)靈感和科技突破。

2022年，《麻省理工科技評(píng)論》攜手DeepTech推出圖書《科技之巔：全球突破性技術(shù)創(chuàng)新與未來趨勢(shì)（20周年珍藏版）》，該書系統(tǒng)性地梳理、總結(jié)了過去20年來由《麻省理工科技評(píng)論》發(fā)布的200余項(xiàng)“全球十大突破性技術(shù)”，按照“生命科學(xué)、信息工程、資源與能源、工程制造、智慧生活”五大領(lǐng)域分別進(jìn)行剖析，同時(shí)邀請(qǐng)學(xué)術(shù)、產(chǎn)業(yè)、資本界權(quán)威對(duì)一些領(lǐng)域技術(shù)的特點(diǎn)、產(chǎn)業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀、未來發(fā)展趨勢(shì)以及投資潛力進(jìn)行了深度解讀和專業(yè)點(diǎn)評(píng)，以期為各界人士提供了解各學(xué)科領(lǐng)域、洞察科技發(fā)展、發(fā)掘投資商機(jī)的最佳途徑。

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