【科技．未來】3D打印器官 終結人畜痛苦
日漸流行的3D打印近年開始應用到醫療之上，有研究團隊初步打印出耳朵、腎臟，甚至眼角膜，但要用作器官移稙，在技術上仍有一段距離。美國加州初創公司Prellis Biologics近日宣稱，他們所使用的3D生物打印技術（bioprinting）可最快、最精細地打印出具血管的人體組織，有望突破技術瓶頸。病人等待器官捐贈的苦況，會否隨着可移植的3D打印器官出現而終結？
香港是全球捐贈器官比率最低的地區之一，去年每100萬人僅有5.5人捐出器官，器官移稙輪候時間不斷延長，當中以腎臟移植輪候最為迫切。據衞生署中央器官捐贈登記名冊顯示，截至去年底，共有2,153人輪候腎臟移植，平均需要輪候51個月，最長更達351個月，即超過29年。同時，有大約9%至15%等待心臟、肝臟或肺部移稙的病人，在輪候期間死亡。
免輪候器官者之苦
器官輪候遙遙無期，3D打印器官可能是未來出路之一。最早的生物打印機或可追溯至2000年，自稱「生物打印之父」的生物工程師寶蘭特（Thomas Boland）在美國克林信大學（Clemson University）的實驗室，把普通電腦噴墨打印機的油墨先後換成了膠原（collagen）、大腸桿菌、哺乳類細胞等來打印，他在2003年後更開始着手改裝3D生物打印機。
隨着近年軟、硬件進步，3D打印愈來愈快、高質和划算。約五、六年前，全球3D打印機巨頭Stratasys的打印機只能打印一、兩種物料和顏色，但現時已可同時打印至少六種物料，創造出36萬種物料和顏色組合。3D打印從上世紀八十年代的小眾玩意，到今日愈來愈多行業使用，生物醫學界近年也開始嘗試打印人體器官。
生物打印與一般3D打印過程類似，都是先在電腦準備好設計圖，然後以3D打印機逐層打印。只是打印的「墨水」由打印飛機、汽車零件或波鞋所使用的金屬、塑膠或紡料，換成了「生物墨水」（bioink），即打印器官所需的細胞和輔助凝膠。原理大致是從病人或健康人體取得打印所需的細胞，經分裂增量後調校成生物墨水，然後噴灑打印在水凝膠（Hydrogel）製的支架上讓器官成型，脫離支架取得器官（見圖）。
現時已有一些生物打印公司取得初步成果，例如在2016年，美國生物打印公司Organovo成功3D打印出人體腎臟組織，並移植到老鼠身上；去年，西班牙馬德里卡洛斯三世大學 （Universidad Carlos III de Madrid）的團隊打印出皮膚，預計可用於皮膚燒傷或癌症病人；本年5月底，英國紐卡素大學（University of Newcastle）研究人員更以健康人士捐贈的眼角膜幹細胞，配合褐藻膠（alginate）和膠原製成的生物墨水配方，首次成功3D打印出人類眼角膜；上月底，美國生物打印公司BIOLIFE4D亦宣布，成功打印出一塊心肌組織「貼片」，雖然與完整心臟的功能無法相比，但仍可望用作替換引發心臟病的影響部分器官。
若3D打印器官技術最終能成熟至可作移植之用，將會徹底改變現時器官輪候者的苦況。屆時器官將可按需求打印，不再像現時般極度依賴於稀少的捐贈者，一眾等候已久的病人，除可得到器官移植的機會之外，也避免了過往捐贈時「一換一」的掙扎，不需要犠牲他人的腎臟也可續命；皮膚燒傷也不需要用身體別處皮膚修補，更有助杜絕黑市器官買賣。
再者，若以病人自身幹細胞打印器官移植，可避免器官移植出現排斥的風險。3D打印器官亦脗合現時在大數據和人工智能發展下，興起的精準或個人化醫療潮流，能夠進一步為病人度身訂做器官，相比起機械植入（如植入機械心瓣等），手術後更換機件的機會較少，減低病人再次接受手術的痛苦。
取代動物及人體試驗
此外，3D打印器官也可為藥物開發及毒理測試另闢蹊徑，以病人的細胞組織模擬疾病，在病人體外研究治療方法，以取代動物及人體試驗。去年12月，Organovo獲美國食品藥品監督管理局（FDA）授予「指定孤兒藥物」（orphan drug designation）資格，可用其3D打印的肝臟組織測試一種用來治療罕見疾病α1-抗胰蛋白酶缺乏症（α1-antitrypsin deficiency）的藥物。化妝品巨頭歐萊雅集團（L'Oreal）也在2015年起與Organovo合作，以後者供應的3D打印人體皮膚試驗抗老及防曬產品，取代動物試驗。
鑑於生物打印這些潛力，Prellis Biologics估算，現時3D生物打印的臨床應用市場約為10億美元，至2020年將增至100億美元，全球「組織工程」市場則會由2015年的230億美元，到2024年增加至940億美元。除了一眾初創公司積極投入研發之外，跨國巨企也不甘輸蝕。
綜合巨企通用電氣（General Electric）正研究3D打印機，和其他影像來源轉換成3D物件的技術。全球康健用品龍頭強生（Johnson & Johnson）亦正在研發一系列可用作客製化物件打印的「墨水」，同時與加拿大生物打印公司Aspect Biosystems合作，研發3D打印半月板。
器官血管難題
然而，生物打印器官最終要能夠用作移植，必須能提供原本器官的功能，皮膚、角膜、軟骨或許相對容易，但心、肺、肝、腎等的結構和運作原理就複雜得多。
美國太空總署（NASA）曾設下「血管組織挑戰」（Vascular Tissue Challenge）：在實驗室製作出1厘米厚、具備完整運作血液系統、並能生存30天的人體組織，最先成功的團隊可獲得30萬美元獎金，第二、三名也可各得10萬，但至今仍然懸空。假若在技術上無法打印出完整的血液系統，即使組織細胞造得再大，也會從內部開始壞死。因此，至今並無任何公司有能力生物打印出完整器官，目前的成品只限於極為纖薄和微細的組織。
美國藥企United Therapeutics的生物工程師艾華利斯（Luis Alvarez）解釋，現時不少生物打印公司的問題在於使用擠壓式打印方法（extrusion），即從精細的打印頭擠出細胞和蛋白質來打印，打印精細度將受細胞大小所限。同時，速度緩慢是這種打印方式另一缺點。Prellis Biologics指出，速度對能否打印完整器官甚為關鍵，因為沒有微血管供應氧氣和營養的話，細胞組織將活不過30分鐘。現時一眾公司的權宜之計，是把打印出來的組織浸在營養液中，延長壽命。
新創聲稱突破精細度與速度限制
不過，這些技術瓶頸或有望打破。Prellis Biologics上月底發表成果，宣稱其採用的全息（holographic）3D打印技術，精緻度可細至0.5微米（micron），足以打印出直徑約5至10微米的微血管。現時打印一個1厘米立方大小、具微血管的人類組織需時數以周計，Prellis Biologics聲稱其方法可以「快1,000倍」，並指未來的目標是在12小時內，能夠打印出完整的腎臟，更預計3D打印的完整器官五年內可推出市場。
並非每間公司都如此樂觀，Organovo首席科學家佩斯納（Sharon Presnell）說：「我們都認為在未來能夠實現（打印完整器官），只是對需要多久才做到，我們有不同意見。能否製造一個夠大、有血管、又能承受生物壓力的器官？大部分的公司都正按部就班前進。」瑞典生物3D打印機生產商Cellink創辦人基頓漢（Erik Gatenholm）去年預測，3D打印皮膚可望於五年內出現，十年內將會有3D打印的軟骨移植，3D打印內臟移植將在其「有生之年」實現；United則預計，完整的3D打印器官至少還要等12年。
上述技術難題以外，要達到終結人畜痛苦的理想，另有倫理學者提醒，移植3D打印器官在社會上具體落實未必樂觀。詳見另文《【科技．未來】移植3D打印器官 病人真係唔使再等？》。
上文節錄自第119期《香港01》周報（2018年7月9日）《移植3D打印器官 誰可長生不老》。