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3D打印器官可能很快就會成為現(xiàn)實?!罢雇磥?,我們將無需接受心臟捐贈”

Carolyn Barber
2023-02-28

從近乎虛構走向萌芽,再走到真實的科學研究,3D生物打印應用于醫(yī)學研究的方方面面都取得了進展,如今,3D生物打印正在實踐方面取得進步。

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維克森林大學的科學家們正在3D打印組織和微器官,模仿我們自身天然組織的一些功能特性。圖片來源:COURTESY OF WFIRM

2022年,在美國得克薩斯州的圣安東尼奧,阿圖羅·博尼拉博士小心翼翼地將一只外耳植入到一名20歲女子的身上,這名女子天生缺少一只外耳。右側植入的外耳是按照她左側外耳的大小和形狀構建的。

博尼拉是一位有著25年以上經(jīng)驗的小耳畸形外科醫(yī)生(治療耳部先天缺陷的醫(yī)生),也是該領域公認的專家,對他來說,這樣的手術很常規(guī)。但這個案例令人意想不到的點在于這是他首次將3D打印的耳朵(利用該女子自身的軟骨細胞)植入人體。

博尼拉告訴我,植入手術“非常順利”??偠灾?,說手術非常順利,那絕對是輕描淡寫。

從近乎虛構走向萌芽,再走到真實的科學研究,3D生物打印應用于醫(yī)學研究的方方面面都取得了進展,如今,3D生物打印正在實踐方面取得進步。雖然進展緩慢,一些宏大的3D計劃設定的目標日期是在幾十年后,但3D生物打印著實取得了實實在在的進步。

位于以色列的特拉維夫大學(Tel Aviv University)的組織工程和再生醫(yī)學主任塔爾·德維爾教授說:“我認為在10年內,我們能夠打印出用于移植的器官。我們將從像皮膚和軟骨這樣的簡單器官開始,然后轉向更復雜的組織——最終的目標是打印心臟、肝臟和腎臟。”

3D生物打印的未來

這聽起來很玄乎,但已經(jīng)成為現(xiàn)實了。多層皮膚、骨骼、肌肉結構、血管、視網(wǎng)膜組織,甚至微器官都已經(jīng)被3D打印出來了。雖然這些打印出來的組織還沒有被批準用于人體,但科學發(fā)展的進程令人嘆為觀止——博尼拉的耳朵手術是首次將3D打印的耳朵(利用活細胞)植入人體,這是一大里程碑事件。

根據(jù)2022年的一份摘要和仿生胰腺的制造者米哈爾·弗紹瓦博士的介紹,波蘭的研究人員生物打印了一個具備各種功能的胰腺原型,在觀察的兩周時間里,豬體內血液流動穩(wěn)定。United Therapeutics Corporation已經(jīng) 3D打印了一個人類肺部支架,毛細血管全長達4,000千米,還有2億個肺泡(微小的氣囊),可以在動物模型中進行氧氣交換,這是制造可耐受、可移植的人類肺部的關鍵一步,該公司的目標是讓打印的人類肺部支架在五年內被批準用于人體試驗。

在維克森林大學再生醫(yī)學研究所(Wake Forest University Institute for Regenerative Medicine),科學家們開發(fā)了一種移動式皮膚生物打印系統(tǒng)。在不久的將來,他們預計能夠直接把打印機推到傷口難以愈合(例如燒傷)的患者床邊,然后掃描和測量傷口面積,并將3D打印的皮膚一層一層地直接打印到患者的傷口表面。他們還進行了深入研究,3D打印的骨骼肌構建體已被證明可以在嚙齒動物身上實現(xiàn)收縮功能,而且脛骨前肌80%以上先前喪失的肌肉功能能夠在八周內得到恢復。

德維爾自己的實驗室已經(jīng)3D打印出一顆“兔子心臟大小”的心臟,正如他所說的,這顆心臟充滿細胞、心室和主要血管,還可以和心臟一樣跳動。教授指出,盡管按照比例放大的過程非常復雜,但打印全尺寸的人類心臟需要采用同樣的基本技術。“我們如今正在研究起搏細胞、心房肌細胞和心室肌細胞?!钡戮S爾表示?!澳壳翱雌饋磉M展不錯。我相信這就是3D生物打印的未來?!?/p>

3D生物打印是如何工作的

多層皮膚、骨骼、肌肉結構、血管、視網(wǎng)膜組織,甚至微器官都已經(jīng)被3D打印出來了。目前所有這些打印出來的組織還沒有被批準用于人體。圖片來源:COURTESY OF WFIRM

3D打印人體器官這樣的概念令人震驚。根據(jù)美國聯(lián)邦衛(wèi)生資源和服務管理局(Health Resources and Services Administration)的數(shù)據(jù),目前有近10.6萬美國人正在等待器官移植,每天有17人在等待器官移植時死亡。利用患者自身細胞培育器官的3D打印技術不僅可能導致等待器官移植的患者減少,還會大大降低器官移植排異的幾率,并可能消除終生服用對身體有害的免疫抑制藥物的需求。

斯坦福大學(Stanford University)的生物工程系助理教授馬克·斯凱拉-斯科特說:“兩項(3D)技術為組織工程領域帶來重大革新,一是將不同類型的細胞放置在精確的位置以構建復雜組織,二是整合血管以輸送必要的氧氣和營養(yǎng)物質來保持細胞存活。在過去的20年里,該領域發(fā)展非常迅速,從打印膀胱到如今能夠打印帶有可以與泵相連的血管的復雜組織,以及類似于帶有集成各種心肌細胞的心臟組織的復雜3D模型?!?/p>

在3D生物打印中,最重要的部分就是細胞。就3D生物打印過程而言,首先是生成研究人員想要生物打印的細胞,然后指示它們形成特定器官細胞類型。然后,這些細胞被制成能夠打印的活墨水或生物墨水,包括將它們與明膠或海藻酸鹽等材料混合,以使它們具有類似牙膏的粘度。斯坦福大學的實驗室正在研究,高密度地擠在一起的干細胞是如何自然地形成這種粘度的,這可能會導致3D打印器官完全由患者自身的細胞制成。

斯凱拉-斯科特指出,生物墨水被裝入注射器,然后“就像蛋糕上的糖霜”一樣從噴頭中擠出。這是真正的3D生物打印過程,它通常包括放置不同類型的細胞,每個細胞都被裝入不同的噴頭。(德維爾說,打印這個迷你心臟花了大約4個小時。)一旦完成,組織有時會被連接到一個泵上,這樣就可以為該組織輸送氧氣和營養(yǎng)物質。隨著時間的推移,該組織就會自行發(fā)育,成熟度會不斷提高,功能也會更加完善。

這個大致的過程,雖然在這里被大大簡化了,但阿圖羅·博尼拉醫(yī)生在得克薩斯州將這個過程的產(chǎn)物——打印的外耳——植入患者。在以前的大多數(shù)小耳畸形手術里,博尼拉會從患者肋骨上提取軟骨,將其雕刻成耳朵的大致形狀。這一次,博尼拉在患者的另一只耳朵上進行了一個小的活檢,從活檢中提取的軟骨細胞被培養(yǎng)成數(shù)十億個細胞,這些細胞被3D打印成了新的植入物。

博尼拉說:“與任何研究一樣,為了嘗試改進這項技術,未來的患者可能會經(jīng)歷迭代。我們不確定這將在何時成為主要治療方法,但該技術的未來是非常激動人心的?!?/p>

3D打印的優(yōu)勢

3D生物打印技術使科學家能夠更精確地設計組織。圖片來源:COURTESY OF WFIRM

維克森林大學的科學家多年來一直在實驗室培育器官和組織。他們在實驗室里用3D打印技術制造了一個迷你腎臟和一個迷你肝臟。下一個挑戰(zhàn):更大的、可以更充分地模擬器官功能的實心結構?!霸谄鞴俪叽缟希覀冸x實現(xiàn)這一目標還有很長一段路要走。”哈佛大學(Harvard University)懷斯生物啟發(fā)工程研究所(Biologically Inspired Engineering)的教授詹妮弗·劉易斯表示。

“我們已經(jīng)能夠打印出像皮膚這樣的平面結構,像血管這樣的管狀結構,或者像膀胱這樣的空心非管狀器官。”維克森林研究所的創(chuàng)始主任安東尼·阿塔拉說。“由于血管和營養(yǎng)方面的挑戰(zhàn)”,打印更大的實心器官是不同的,畢竟“每厘米就有非常多細胞?!?/p>

在細胞制造的某些方面,還存在質量問題。科學家們已經(jīng)可以從干細胞中制造出心肌細胞,但制造出的心肌細胞無法像你的心肌細胞那樣強烈地跳動。肝細胞(代謝)和腎細胞(濾液攝?。┑那闆r也是如此。斯凱拉-斯科特稱:“從某些方面講,3D生物打印領域正在等待基礎生物學家取得重大突破?!?/p>

還有一個問題是數(shù)量問題。制造一顆心臟需要“數(shù)十億個細胞——而且需要不同的細胞,甚至是不同的心肌細胞?!彼枴さ戮S爾說道。根據(jù)斯凱拉-斯科特的說法,要為一個器官制造足夠的細胞,制造廠需要一個10升的攪拌缸,每天可能要花費5,000美元,而且需要連續(xù)幾個月才能夠完成。最終目標是每個月培育上千個器官,而不是一個器官。

3D Bio Therapeutics的首席執(zhí)行官及聯(lián)合創(chuàng)始人丹·科恩表示,除此之外,還有組織如何融入人體以及如何得到人體的支持等問題,包括復雜的血管、神經(jīng)和多種細胞類型網(wǎng)絡?!斑@并不是說這一點無法做到?!笨贫髡f,他20年前就開始在生物打印領域工作,當時這個領域連個正式的名字都沒有。“我對生物打印和再生醫(yī)學的廣泛應用抱有很大希望?!?/p>

就短期而言,進展也是非常顯著的。劉易斯表示,哈佛大學的研究人員從人類多能干細胞中培育出心肌細胞,然后將它們植入帶有傳感器(這些傳感器可以追蹤跳動的組織)的生物工程芯片上。這種3D打印的芯片上的心臟能夠用于測試各種心臟藥物的潛在毒副作用,并可能減輕對動物試驗的需求。(類似的芯片上的肌萎縮性側索硬化癥技術正在被用于篩選候選藥物,這樣也可以更好地了解這種疾病的潛在機制。)

維克森林大學的阿塔拉說:“3D打印機有幾大優(yōu)點。首先是能夠擴大規(guī)模,因為你可以用打印機自動化打?。ńM織和器官),而不是手工一次完成一個。其次是能夠確保精確度。我們可以更精確地將細胞放置在需要它們的地方。”

再有一點就是能夠降低整體成本,這是因為3D打印允許加大規(guī)模。這就是阿塔拉所說的“可重復性”(一種可以反復制造相同結構的方法)。在器官移植方面,由患者自身細胞制成的新器官能夠大大降低排異反應的可能性。

大多數(shù)研究人員認為,全尺寸3D打印人體器官移植還需要20年到30年的時間?!罢雇磥?,我們將無需接受心臟捐贈,也無需接受肝臟捐贈?!钡戮S爾說?!斑@是我的觀點,而且我很樂觀,我認為在不到20年的時間里,就會出現(xiàn)打印的器官被植入患者體內?!边@是科學在發(fā)揮作用,而不是科幻小說。(財富中文網(wǎng))

譯者:中慧言-王芳

2022年,在美國得克薩斯州的圣安東尼奧,阿圖羅·博尼拉博士小心翼翼地將一只外耳植入到一名20歲女子的身上,這名女子天生缺少一只外耳。右側植入的外耳是按照她左側外耳的大小和形狀構建的。

博尼拉是一位有著25年以上經(jīng)驗的小耳畸形外科醫(yī)生(治療耳部先天缺陷的醫(yī)生),也是該領域公認的專家,對他來說,這樣的手術很常規(guī)。但這個案例令人意想不到的點在于這是他首次將3D打印的耳朵(利用該女子自身的軟骨細胞)植入人體。

博尼拉告訴我,植入手術“非常順利”??偠灾?,說手術非常順利,那絕對是輕描淡寫。

從近乎虛構走向萌芽,再走到真實的科學研究,3D生物打印應用于醫(yī)學研究的方方面面都取得了進展,如今,3D生物打印正在實踐方面取得進步。雖然進展緩慢,一些宏大的3D計劃設定的目標日期是在幾十年后,但3D生物打印著實取得了實實在在的進步。

位于以色列的特拉維夫大學(Tel Aviv University)的組織工程和再生醫(yī)學主任塔爾·德維爾教授說:“我認為在10年內,我們能夠打印出用于移植的器官。我們將從像皮膚和軟骨這樣的簡單器官開始,然后轉向更復雜的組織——最終的目標是打印心臟、肝臟和腎臟。”

3D生物打印的未來

這聽起來很玄乎,但已經(jīng)成為現(xiàn)實了。多層皮膚、骨骼、肌肉結構、血管、視網(wǎng)膜組織,甚至微器官都已經(jīng)被3D打印出來了。雖然這些打印出來的組織還沒有被批準用于人體,但科學發(fā)展的進程令人嘆為觀止——博尼拉的耳朵手術是首次將3D打印的耳朵(利用活細胞)植入人體,這是一大里程碑事件。

根據(jù)2022年的一份摘要和仿生胰腺的制造者米哈爾·弗紹瓦博士的介紹,波蘭的研究人員生物打印了一個具備各種功能的胰腺原型,在觀察的兩周時間里,豬體內血液流動穩(wěn)定。United Therapeutics Corporation已經(jīng) 3D打印了一個人類肺部支架,毛細血管全長達4,000千米,還有2億個肺泡(微小的氣囊),可以在動物模型中進行氧氣交換,這是制造可耐受、可移植的人類肺部的關鍵一步,該公司的目標是讓打印的人類肺部支架在五年內被批準用于人體試驗。

在維克森林大學再生醫(yī)學研究所(Wake Forest University Institute for Regenerative Medicine),科學家們開發(fā)了一種移動式皮膚生物打印系統(tǒng)。在不久的將來,他們預計能夠直接把打印機推到傷口難以愈合(例如燒傷)的患者床邊,然后掃描和測量傷口面積,并將3D打印的皮膚一層一層地直接打印到患者的傷口表面。他們還進行了深入研究,3D打印的骨骼肌構建體已被證明可以在嚙齒動物身上實現(xiàn)收縮功能,而且脛骨前肌80%以上先前喪失的肌肉功能能夠在八周內得到恢復。

德維爾自己的實驗室已經(jīng)3D打印出一顆“兔子心臟大小”的心臟,正如他所說的,這顆心臟充滿細胞、心室和主要血管,還可以和心臟一樣跳動。教授指出,盡管按照比例放大的過程非常復雜,但打印全尺寸的人類心臟需要采用同樣的基本技術?!拔覀內缃裾谘芯科鸩毎⑿姆考〖毎托氖壹〖毎??!钡戮S爾表示?!澳壳翱雌饋磉M展不錯。我相信這就是3D生物打印的未來?!?/p>

3D生物打印是如何工作的

3D打印人體器官這樣的概念令人震驚。根據(jù)美國聯(lián)邦衛(wèi)生資源和服務管理局(Health Resources and Services Administration)的數(shù)據(jù),目前有近10.6萬美國人正在等待器官移植,每天有17人在等待器官移植時死亡。利用患者自身細胞培育器官的3D打印技術不僅可能導致等待器官移植的患者減少,還會大大降低器官移植排異的幾率,并可能消除終生服用對身體有害的免疫抑制藥物的需求。

斯坦福大學(Stanford University)的生物工程系助理教授馬克·斯凱拉-斯科特說:“兩項(3D)技術為組織工程領域帶來重大革新,一是將不同類型的細胞放置在精確的位置以構建復雜組織,二是整合血管以輸送必要的氧氣和營養(yǎng)物質來保持細胞存活。在過去的20年里,該領域發(fā)展非常迅速,從打印膀胱到如今能夠打印帶有可以與泵相連的血管的復雜組織,以及類似于帶有集成各種心肌細胞的心臟組織的復雜3D模型?!?/p>

在3D生物打印中,最重要的部分就是細胞。就3D生物打印過程而言,首先是生成研究人員想要生物打印的細胞,然后指示它們形成特定器官細胞類型。然后,這些細胞被制成能夠打印的活墨水或生物墨水,包括將它們與明膠或海藻酸鹽等材料混合,以使它們具有類似牙膏的粘度。斯坦福大學的實驗室正在研究,高密度地擠在一起的干細胞是如何自然地形成這種粘度的,這可能會導致3D打印器官完全由患者自身的細胞制成。

斯凱拉-斯科特指出,生物墨水被裝入注射器,然后“就像蛋糕上的糖霜”一樣從噴頭中擠出。這是真正的3D生物打印過程,它通常包括放置不同類型的細胞,每個細胞都被裝入不同的噴頭。(德維爾說,打印這個迷你心臟花了大約4個小時。)一旦完成,組織有時會被連接到一個泵上,這樣就可以為該組織輸送氧氣和營養(yǎng)物質。隨著時間的推移,該組織就會自行發(fā)育,成熟度會不斷提高,功能也會更加完善。

這個大致的過程,雖然在這里被大大簡化了,但阿圖羅·博尼拉醫(yī)生在得克薩斯州將這個過程的產(chǎn)物——打印的外耳——植入患者。在以前的大多數(shù)小耳畸形手術里,博尼拉會從患者肋骨上提取軟骨,將其雕刻成耳朵的大致形狀。這一次,博尼拉在患者的另一只耳朵上進行了一個小的活檢,從活檢中提取的軟骨細胞被培養(yǎng)成數(shù)十億個細胞,這些細胞被3D打印成了新的植入物。

博尼拉說:“與任何研究一樣,為了嘗試改進這項技術,未來的患者可能會經(jīng)歷迭代。我們不確定這將在何時成為主要治療方法,但該技術的未來是非常激動人心的?!?/p>

3D打印的優(yōu)勢

維克森林大學的科學家多年來一直在實驗室培育器官和組織。他們在實驗室里用3D打印技術制造了一個迷你腎臟和一個迷你肝臟。下一個挑戰(zhàn):更大的、可以更充分地模擬器官功能的實心結構?!霸谄鞴俪叽缟?,我們離實現(xiàn)這一目標還有很長一段路要走?!惫鸫髮W(Harvard University)懷斯生物啟發(fā)工程研究所(Biologically Inspired Engineering)的教授詹妮弗·劉易斯表示。

“我們已經(jīng)能夠打印出像皮膚這樣的平面結構,像血管這樣的管狀結構,或者像膀胱這樣的空心非管狀器官?!本S克森林研究所的創(chuàng)始主任安東尼·阿塔拉說?!坝捎谘芎蜖I養(yǎng)方面的挑戰(zhàn)”,打印更大的實心器官是不同的,畢竟“每厘米就有非常多細胞。”

在細胞制造的某些方面,還存在質量問題??茖W家們已經(jīng)可以從干細胞中制造出心肌細胞,但制造出的心肌細胞無法像你的心肌細胞那樣強烈地跳動。肝細胞(代謝)和腎細胞(濾液攝?。┑那闆r也是如此。斯凱拉-斯科特稱:“從某些方面講,3D生物打印領域正在等待基礎生物學家取得重大突破?!?/p>

還有一個問題是數(shù)量問題。制造一顆心臟需要“數(shù)十億個細胞——而且需要不同的細胞,甚至是不同的心肌細胞。”塔爾·德維爾說道。根據(jù)斯凱拉-斯科特的說法,要為一個器官制造足夠的細胞,制造廠需要一個10升的攪拌缸,每天可能要花費5,000美元,而且需要連續(xù)幾個月才能夠完成。最終目標是每個月培育上千個器官,而不是一個器官。

3D Bio Therapeutics的首席執(zhí)行官及聯(lián)合創(chuàng)始人丹·科恩表示,除此之外,還有組織如何融入人體以及如何得到人體的支持等問題,包括復雜的血管、神經(jīng)和多種細胞類型網(wǎng)絡?!斑@并不是說這一點無法做到?!笨贫髡f,他20年前就開始在生物打印領域工作,當時這個領域連個正式的名字都沒有。“我對生物打印和再生醫(yī)學的廣泛應用抱有很大希望?!?/p>

就短期而言,進展也是非常顯著的。劉易斯表示,哈佛大學的研究人員從人類多能干細胞中培育出心肌細胞,然后將它們植入帶有傳感器(這些傳感器可以追蹤跳動的組織)的生物工程芯片上。這種3D打印的芯片上的心臟能夠用于測試各種心臟藥物的潛在毒副作用,并可能減輕對動物試驗的需求。(類似的芯片上的肌萎縮性側索硬化癥技術正在被用于篩選候選藥物,這樣也可以更好地了解這種疾病的潛在機制。)

維克森林大學的阿塔拉說:“3D打印機有幾大優(yōu)點。首先是能夠擴大規(guī)模,因為你可以用打印機自動化打?。ńM織和器官),而不是手工一次完成一個。其次是能夠確保精確度。我們可以更精確地將細胞放置在需要它們的地方?!?/p>

再有一點就是能夠降低整體成本,這是因為3D打印允許加大規(guī)模。這就是阿塔拉所說的“可重復性”(一種可以反復制造相同結構的方法)。在器官移植方面,由患者自身細胞制成的新器官能夠大大降低排異反應的可能性。

大多數(shù)研究人員認為,全尺寸3D打印人體器官移植還需要20年到30年的時間?!罢雇磥恚覀儗o需接受心臟捐贈,也無需接受肝臟捐贈。”德維爾說。“這是我的觀點,而且我很樂觀,我認為在不到20年的時間里,就會出現(xiàn)打印的器官被植入患者體內。”這是科學在發(fā)揮作用,而不是科幻小說。(財富中文網(wǎng))

譯者:中慧言-王芳

Last year, in San Antonio, Texas, Dr. Arturo Bonilla carefully implanted an outer ear on a 20-year-old woman born without one. The ear on the woman’s right side, had been constructed in the size and shape of her left.

For Bonilla, a pediatric microtia surgeon (a doctor who treats birth defects of the ear) for more than 25 years and a recognized expert in the field, such a procedure would normally be routine. But this case had a twist: For the first time, the ear he was implanting was the product of a 3D bioprinter using the woman’s own cartilage cells.

The implant procedure, Bonilla told me, was “very uneventful.” It is a vast understatement, all things considered.

From the realm of near-fiction to the germ of an idea to actual science, 3D bioprinting is advancing across all aspects of medical research—and, now, practice. The pace is slow, and target dates for some of the most ambitious 3D plans are decades off. But progress is real.

“I think that in 10 years we will have organs for transplantation,” says professor Tal Dvir, director of tissue engineering and regenerative medicine at Tel Aviv University in Israel. “We will start with simple organs like skin and cartilage, but then we’ll move on to more complicated tissues—eventually the heart, liver, kidney.”

The future of 3D bioprinting

It sounds fantastical, but it’s already happening. Multilayered skin, bones, muscle structures, blood vessels, retinal tissue and even mini-organs all have been 3D printed. While none of the printed products are yet approved for human use, the race up the scientific timeline is breathtaking—and Bonilla’s ear procedure, the first 3D bioprint from live cells to be implanted in a human, marks a significant moment along that progression.

Researchers in Poland bioprinted a functional prototype of a pancreas in which stable blood flow was achieved in pigs during an observed two-week period, according to a 2022 abstract and Dr. Michal Wszola, creator of Bionic Pancreas. United Therapeutics Corporation has 3D printed a human lung scaffold with 4,000 kilometers of capillaries and 200 million alveoli (tiny air sacs) that are capable of oxygen exchange in animal models—a critical step toward creating tolerable, transplantable human lungs with the goal of being cleared for human trials within five years.

At Wake Forest University Institute for Regenerative Medicine, scientists have developed a mobile skin bioprinting system. In the not-too-distant future, they anticipate being able to roll the printer right to the bedside of a patient suffering from a non-healing wound, such as a burn, then scan and measure the wound area and 3D print skin, layer by layer, directly onto the wound surface. And they’ve gone deeper, 3D printing skeletal muscle constructs that have been shown to contract in rodents and regain more than 80% of previously lost muscular function in an anterior leg muscle within eight weeks.

Dvir’s own lab has produced a 3D-printed “rabbit-sized” heart, as he puts it, replete with cells, chambers, the major blood vessels and a heartbeat. Full scale human hearts, the professor notes, require the same basic technology, although the process of scaling up is vastly complicated. “We’re now working on the pacemaker cells, the atrial cells, the ventricular cells,” Dvir says. “But it looks good. I believe this is the future.”

How 3D bioprinting works

The ability to 3D print human organs is an astounding notion. Nearly 106,000 Americans are currently on waiting lists for organ donations, and 17 die each day while waiting, according to the federal Health Resources and Services Administration. A 3D printing process that uses the patient’s own cells to grow organs would not only potentially curb that waiting list, but dramatically reduce the chances of organ rejection and likely eliminate the need for harmful life-long immunosuppressive medication.

“The ability to place different cell types in precise locations to build up a complex tissue, and the capability of integrating blood vessels that can deliver the necessary oxygen and nutrients to keep cells alive, are two (3D) techniques that are revolutionizing tissue engineering,” says Mark Skylar-Scott, an assistant professor in the Stanford University department of bioengineering. “The field has moved very quickly over the past two decades, from printed bladders to now highly cellular tissues with vessels that can be connected to a pump—and complex 3D models that resemble heart components with integrated heart cells.”

In 3D bioprinting, the name of the game is cells. The process begins by generating the cells that researchers want to bioprint, which are then instructed to become organ specific cell types. The cells are then rendered into a printable living ink, or bioink, that involves mixing them with materials like gelatin or alginate to give them a toothpaste-like consistency. Stanford’s lab is studying how stem cells might naturally form such a consistency if crammed together at high density, which could lead to 3D printed organs made strictly from a patient’s own cells.

The bioink is loaded into syringes and squeezed out of a nozzle “l(fā)ike icing on a cake,” Skylar-Scott says. This is the actual 3D bioprinting process, and it typically involves laying down different cell types, each loaded into a different nozzle. (Dvir says the mini-heart took about four hours to print.) Once it is finished, the tissue is sometimes connected to a pump that drives oxygen and nutrients through it. Given time, the tissue develops on its own and increases in both maturity and function.

That general process, though dramatically oversimplified here, is what led to the production of the external part of the ear that Arturo Bonilla implanted in his patient in Texas. In most previous microtia surgeries, Bonilla would have carved a new ear out of cartilage taken from the patient’s ribs. Instead, a small biopsy was performed on the patient’s other ear and cartilage cells taken from the biopsy were grown into billions of cells, which were 3D-printed into the new implant.

“As with any study, there will likely be iterations in future patients in order to try to improve this technique,” Bonilla says. “We are unsure when this will be the mainstay treatment, but the future is very exciting.”

Advantages of 3D printing

Wake Forest scientists have been lab growing organs and tissues for years. They’ve used 3D printing to create in the laboratory essentially a mini-kidney and a mini-liver. The next challenge: larger, solid structures that more fully mimic organ function. “We are far from achieving this goal at organ scale,” says Jennifer Lewis, Wyss Professor of Biologically Inspired Engineering, at Harvard University.

“We’ve been able to print flat structures like skin, tubular structures like blood vessels or hollow, non-tubular organs like a bladder,” says Anthony Atala, founding director of the Wake Forest Institute. The larger solid organs are different, Atala says, “because of the challenge with the vascularity or the nutrition. There’s so many cells per centimeter.”

In some ways with cell production, it’s a matter of quality. Scientists have been able to create a heart cell from stem cells, but not one that beats as strongly as your heart cells do. The same is true for liver cells (metabolism) and kidney cells (filtrate uptake). “In some ways,” Skyler-Scott says, “the 3D bioprinting field is waiting on the basic biologists to make their major breakthroughs.”

There’s also the issue of quantity. The creation of a heart would require “billions of cells – and you need different cells, even different cardiac cells,” says Tal Dvir. To make enough cells for a single organ, a facility would need a 10-liter stirred vat that might cost $5,000 per day to feed, for months on end according to Skyler-Scott. And the ultimate goal is thousands of organs a month, not one.

Beyond all that, there are the questions of how the tissue integrates into the body and how it is supported by the body, including complex networks of blood vessels, nerves and multiple cell types, says Dan Cohen, CEO and co-founder of 3D Bio Therapeutics. “It’s not to say it can’t be done,” says Cohen, who began working in the field of bioprinting 20 years ago, when it didn’t have a formal name. “I have a lot of hope for bioprinting and regenerative medicine more broadly.”

Even in the short term, progress is well marked. Researchers at Harvard, Lewis says, generated cardiac cells from human pluripotent stem cells, then seeded them on a bioengineered chip with integrated sensors that can track the beating tissue. This 3D-printed-heart-on-a-chip can be used to test various cardiac drugs for potentially toxic side effects and may alleviate the need for animal testing.(A similar ALS-on-a-chip?technology is being used to screen for drug candidates and to better understand the underlying mechanisms of that disease.)

“The 3D printer gives you several advantages,” says Wake Forest’s Atala. “The first is scale-up, because instead of making these (tissues and organs) by hand one at a time, you can automate the printer to do it. The second thing is precision. We can more precisely locate the cells where they’re needed.”

There’s also the notion of lower overall cost, as 3D printing allows for that increased scale. There is what Atala calls “reproducibility,” a method of producing the same structure again and again. And in terms of organ transplant, a new organ made of a patient’s own cells makes rejection far less likely.

Most researchers put the idea of full-sized 3D-printed organ transplantation in humans at somewhere between 20 and 30 years away. “Eventually, looking ahead, we’ll not need donor hearts. We’ll not need livers,” Dvir says. “This is my opinion, and I’m optimistic, but I think that in less than 20 years we will have printed organs inside us.” That is science at work, not science fiction.

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