【科技．未来】3D打印器官 终结人畜痛苦
日渐流行的3D打印近年开始应用到医疗之上，有研究团队初步打印出耳朵、肾脏，甚至眼角膜，但要用作器官移稙，在技术上仍有一段距离。美国加州初创公司Prellis Biologics近日宣称，他们所使用的3D生物打印技术（bioprinting）可最快、最精细地打印出具血管的人体组织，有望突破技术瓶颈。病人等待器官捐赠的苦况，会否随着可移植的3D打印器官出现而终结？
香港是全球捐赠器官比率最低的地区之一，去年每100万人仅有5.5人捐出器官，器官移稙轮候时间不断延长，当中以肾脏移植轮候最为迫切。据卫生署中央器官捐赠登记名册显示，截至去年底，共有2,153人轮候肾脏移植，平均需要轮候51个月，最长更达351个月，即超过29年。同时，有大约9%至15%等待心脏、肝脏或肺部移稙的病人，在轮候期间死亡。
免轮候器官者之苦
器官轮候遥遥无期，3D打印器官可能是未来出路之一。最早的生物打印机或可追溯至2000年，自称“生物打印之父”的生物工程师宝兰特（Thomas Boland）在美国克林信大学（Clemson University）的实验室，把普通电脑喷墨打印机的油墨先后换成了胶原（collagen）、大肠杆菌、哺乳类细胞等来打印，他在2003年后更开始着手改装3D生物打印机。
随着近年软、硬件进步，3D打印愈来愈快、高质和划算。约五、六年前，全球3D打印机巨头Stratasys的打印机只能打印一、两种物料和颜色，但现时已可同时打印至少六种物料，创造出36万种物料和颜色组合。3D打印从上世纪八十年代的小众玩意，到今日愈来愈多行业使用，生物医学界近年也开始尝试打印人体器官。
生物打印与一般3D打印过程类似，都是先在电脑准备好设计图，然后以3D打印机逐层打印。只是打印的“墨水”由打印飞机、汽车零件或波鞋所使用的金属、塑胶或纺料，换成了“生物墨水”（bioink），即打印器官所需的细胞和辅助凝胶。原理大致是从病人或健康人体取得打印所需的细胞，经分裂增量后调校成生物墨水，然后喷洒打印在水凝胶（Hydrogel）制的支架上让器官成型，脱离支架取得器官（见图）。
现时已有一些生物打印公司取得初步成果，例如在2016年，美国生物打印公司Organovo成功3D打印出人体肾脏组织，并移植到老鼠身上；去年，西班牙马德里卡洛斯三世大学 （Universidad Carlos III de Madrid）的团队打印出皮肤，预计可用于皮肤烧伤或癌症病人；本年5月底，英国纽卡素大学（University of Newcastle）研究人员更以健康人士捐赠的眼角膜干细胞，配合褐藻胶（alginate）和胶原制成的生物墨水配方，首次成功3D打印出人类眼角膜；上月底，美国生物打印公司BIOLIFE4D亦宣布，成功打印出一块心肌组织“贴片”，虽然与完整心脏的功能无法相比，但仍可望用作替换引发心脏病的影响部分器官。
若3D打印器官技术最终能成熟至可作移植之用，将会彻底改变现时器官轮候者的苦况。届时器官将可按需求打印，不再像现时般极度依赖于稀少的捐赠者，一众等候已久的病人，除可得到器官移植的机会之外，也避免了过往捐赠时“一换一”的挣扎，不需要犠牲他人的肾脏也可续命；皮肤烧伤也不需要用身体别处皮肤修补，更有助杜绝黑市器官买卖。
再者，若以病人自身干细胞打印器官移植，可避免器官移植出现排斥的风险。3D打印器官亦脗合现时在大数据和人工智能发展下，兴起的精准或个人化医疗潮流，能够进一步为病人度身订做器官，相比起机械植入（如植入机械心瓣等），手术后更换机件的机会较少，减低病人再次接受手术的痛苦。
取代动物及人体试验
此外，3D打印器官也可为药物开发及毒理测试另辟蹊径，以病人的细胞组织模拟疾病，在病人体外研究治疗方法，以取代动物及人体试验。去年12月，Organovo获美国食品药品监督管理局（FDA）授予“指定孤儿药物”（orphan drug designation）资格，可用其3D打印的肝脏组织测试一种用来治疗罕见疾病α1-抗胰蛋白酶缺乏症（α1-antitrypsin deficiency）的药物。化妆品巨头欧莱雅集团（L'Oreal）也在2015年起与Organovo合作，以后者供应的3D打印人体皮肤试验抗老及防晒产品，取代动物试验。
鉴于生物打印这些潜力，Prellis Biologics估算，现时3D生物打印的临床应用市场约为10亿美元，至2020年将增至100亿美元，全球“组织工程”市场则会由2015年的230亿美元，到2024年增加至940亿美元。除了一众初创公司积极投入研发之外，跨国巨企也不甘输蚀。
综合巨企通用电气（General Electric）正研究3D打印机，和其他影像来源转换成3D物件的技术。全球康健用品龙头强生（Johnson & Johnson）亦正在研发一系列可用作客制化物件打印的“墨水”，同时与加拿大生物打印公司Aspect Biosystems合作，研发3D打印半月板。
器官血管难题
然而，生物打印器官最终要能够用作移植，必须能提供原本器官的功能，皮肤、角膜、软骨或许相对容易，但心、肺、肝、肾等的结构和运作原理就复杂得多。
美国太空总署（NASA）曾设下“血管组织挑战”（Vascular Tissue Challenge）：在实验室制作出1厘米厚、具备完整运作血液系统、并能生存30天的人体组织，最先成功的团队可获得30万美元奖金，第二、三名也可各得10万，但至今仍然悬空。假若在技术上无法打印出完整的血液系统，即使组织细胞造得再大，也会从内部开始坏死。因此，至今并无任何公司有能力生物打印出完整器官，目前的成品只限于极为纤薄和微细的组织。
美国药企United Therapeutics的生物工程师艾华利斯（Luis Alvarez）解释，现时不少生物打印公司的问题在于使用挤压式打印方法（extrusion），即从精细的打印头挤出细胞和蛋白质来打印，打印精细度将受细胞大小所限。同时，速度缓慢是这种打印方式另一缺点。Prellis Biologics指出，速度对能否打印完整器官甚为关键，因为没有微血管供应氧气和营养的话，细胞组织将活不过30分钟。现时一众公司的权宜之计，是把打印出来的组织浸在营养液中，延长寿命。
新创声称突破精细度与速度限制
不过，这些技术瓶颈或有望打破。Prellis Biologics上月底发表成果，宣称其采用的全息（holographic）3D打印技术，精致度可细至0.5微米（micron），足以打印出直径约5至10微米的微血管。现时打印一个1厘米立方大小、具微血管的人类组织需时数以周计，Prellis Biologics声称其方法可以“快1,000倍”，并指未来的目标是在12小时内，能够打印出完整的肾脏，更预计3D打印的完整器官五年内可推出市场。
并非每间公司都如此乐观，Organovo首席科学家佩斯纳（Sharon Presnell）说：“我们都认为在未来能够实现（打印完整器官），只是对需要多久才做到，我们有不同意见。能否制造一个够大、有血管、又能承受生物压力的器官？大部分的公司都正按部就班前进。”瑞典生物3D打印机生产商Cellink创办人基顿汉（Erik Gatenholm）去年预测，3D打印皮肤可望于五年内出现，十年内将会有3D打印的软骨移植，3D打印内脏移植将在其“有生之年”实现；United则预计，完整的3D打印器官至少还要等12年。
上述技术难题以外，要达到终结人畜痛苦的理想，另有伦理学者提醒，移植3D打印器官在社会上具体落实未必乐观。详见另文《【科技．未来】移植3D打印器官 病人真系唔使再等？》。
上文节录自第119期《香港01》周报（2018年7月9日）《移植3D打印器官 谁可长生不老》。