我們能在太空中制造器官嗎,？

來源：新浪科技

你知道嗎？3D打印人體器官的最佳地點其實是在太空,。2019年,，科學(xué)家為國際空間站開發(fā)了一臺“3D生物制造設(shè)備”（3D BioFabrication Facility，簡稱BFF）,。這是世界上第一臺能夠在太空中制造人體組織的3D打印機,，于2019年7月搭載SpaceX公司的貨運飛船到達(dá)國際空間站。在無重力條件下打印人體組織聽起來很酷,，但科學(xué)家們?yōu)槭裁磿�做這樣的嘗試呢,？

我們的身體有78個器官，它們和諧地工作,，使我們每一天,、每一年都能維持正常的生理功能。然而,，總是會有那么一天,，我們的某個身體組件可能會失靈或損壞，無法再保持健康的狀態(tài),。我們有時可以通過藥物或手術(shù)來修復(fù),，有時則無法保留原有的器官，更換便成為唯一的解決方案,。這些受損或功能失調(diào)的器官會被捐獻(xiàn)者提供的健康器官所取代,。

然而，一個可悲的事實是,，有太多的病人需要器官,，而沒有足夠的器官捐贈者。器官短缺是一個世界性的大問題,。僅在美國,，就有超過10萬人在等待器官移植。即使有可用的器官,，供者的血型也可能與受者的血型不匹配,。這是一個絕對必要的條件，因為血型不匹配對接受移植者來說可能是致命的,。更糟糕的是,，有時器官可能在運輸途中丟失，或不能及時送到預(yù)期患者手中,。

為了解決這些非�,，F(xiàn)實的問題，科學(xué)家正在嘗試3D打印生物組織,。

裝有細(xì)胞和培養(yǎng)基的組織培養(yǎng)瓶,。

生物打印——打印活組織
生物打印是3D打印技術(shù)的形式之一，更確切地說,，便是打印活組織,。生物墨水由干細(xì)胞和供其生長的營養(yǎng)物質(zhì)組成，在打印時被一層又一層地添加到支架上,。為什么用干細(xì)胞,？因為它們可以變成任意類型的細(xì)胞。在生物打印過程完成后,，器官將被放置在生物反應(yīng)器中,，在那里進(jìn)一步成熟，形成一個功能正常的器官,。

在《碟中諜》系列電影中,，IMF小組也使用了同樣的技術(shù)來打印面罩。但事實上,，這項技術(shù)還沒有電影中呈現(xiàn)的那么先進(jìn),。

地球的問題
生活在地球上的所有生命都受到重力的作用，無論你是像藍(lán)鯨一樣大,，還是像病毒粒子一樣小,，重力的影響無處不在。這種影響甚至可以到達(dá)細(xì)胞水平,。對細(xì)胞而言,，重力其實非常重要，因為它指導(dǎo)著氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的流動和分配,。

不過,，地球的重力也給生物打印帶來了兩個問題。

首先,，重力使細(xì)胞層變平,。在組織培養(yǎng)設(shè)備中，細(xì)胞通常在組織培養(yǎng)瓶中培養(yǎng),。這些瓶子里裝滿了營養(yǎng)豐富,、供細(xì)胞生長所用的液體培養(yǎng)基，使科學(xué)家可以在沒有動物倫理問題的情況下進(jìn)行生命實驗,。然而,，這些燒瓶中的細(xì)胞會在容器底部形成扁平層,。在細(xì)胞和組織生長的過程中，重力會使它們壓縮,，迫使它們在層疊形成扁平的二維層,。這并不是器官自然發(fā)育的方式。

在體內(nèi),，生物組織的形成是三維的,。即將成為器官的特定細(xì)胞會受到人體獨特環(huán)境的引導(dǎo)，這種獨特環(huán)境,，便是一個被稱為“細(xì)胞外基質(zhì)”（extracellular matrix）的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)網(wǎng),。隨著這個基質(zhì)的形成，器官的其他細(xì)胞也會生長和成熟,；而在器官發(fā)育的過程中,，這個基質(zhì)會把所有的東西固定在一起。然而,，在塑料培養(yǎng)容器內(nèi),，沒有體內(nèi)的多種相互作用，細(xì)胞無法形成功能齊全,、結(jié)構(gòu)相似的器官,。

這就引出了第二個問題。

“腳手架”的重要性
生物打印需要支架,。在沒有細(xì)胞外基質(zhì)的情況下,，支架可以充當(dāng)模具，使最初的細(xì)胞層能夠正確地自我成形,，并為器官提供結(jié)構(gòu)支撐,。打印柔軟細(xì)膩的組織（如毛細(xì)血管）是一項巨大的挑戰(zhàn)，因為在這些地方使用支架是不可能的,。如果沒有這種支架,，用于打印這些軟組織的細(xì)胞很容易在自身重力的作用下崩塌。那么,，如何才能不用這些支架呢,？

解決方案：太空
研究人員絞盡腦汁，希望找到一種不用支架來制造微小組織的方法,。到了20世紀(jì)70年代,，美國國家航空航天局（NASA）約翰遜航天中心的研究人員想到，可以利用太空來解決這個問題,。他們假設(shè),，如果細(xì)胞可以在沒有地球重力的情況下生長，那它們就不會沉降到培養(yǎng)容器的底部；相反,，漂浮在微重力環(huán)境中的細(xì)胞可能會以類似于體內(nèi)發(fā)生的方式組裝成器官,。

為了驗證這一假設(shè)，美國國家航空航天局開發(fā)了滾筒式生物反應(yīng)器（Rotating Wall Vessel,，簡稱RWV）,，一種用來模擬微重力的培養(yǎng)容器,。事實證明,，研究人員是對的！在微重力條件下培養(yǎng)的細(xì)胞不會形成二維層,，并且能在沒有支架的情況下保持理想的形狀,。然而，大規(guī)模應(yīng)用表明,，這種技術(shù)相當(dāng)冗長和昂貴,。一個更簡單的選擇是將生物打印技術(shù)轉(zhuǎn)移到太空。

在距離地球表面400公里的地方,，也就是國際空間站所在的位置,，重力明顯減弱。事實上,，那里的重力是如此微弱,，以至于物體看起來都沒有重量，漂浮在太空中,。這種微弱的重力稱為“微重力”,。同樣的細(xì)胞在地球上進(jìn)行生物打印時，只能形成塌陷的軟組織,，但在微重力下卻能保持正常的形狀,。因此，在國際空間站上,，生物打印復(fù)雜和脆弱的組織變得容易得多,。

研究人員在國際空間站進(jìn)行了生物打印組織器官的試驗。

太空牛肉
肌肉是一個比其他復(fù)雜人體器官（如腎臟）簡單得多的開始,。比這更加簡單的可能是在微重力環(huán)境下生物打印牛排,。一家公司也這么認(rèn)為。2019年9月,，以色列食品技術(shù)公司Aleph Farms決定與俄羅斯和美國合作,，試驗在太空打印牛肉的可行性。他們將牛干細(xì)胞送入太空,，并成功進(jìn)行了肌肉組織的生物打印,。

不過，沒有人知道這種肉的味道如何。這個實驗最終證明了在太空中打印生物組織是可行的,。也許有一天,，生物打印不僅能為宇航員提供一種方便的替代食物，而且還會作為一種更可持續(xù)的方式,，滿足世界上對牛肉的需求,，而不會造成畜牧業(yè)的高環(huán)境成本。

除了肉類生物打印以外,，研究人員還在太空中進(jìn)行了器官打印試驗,。他們的計劃是在太空中打印出甲狀腺和軟骨組織。

把器官從太空運到地球
這些器官可能在太空中打印得更好,，但你可能想知道,，它們被帶回地球后會如何。事實上,，重力的增加確實會對這些生物打印的組織結(jié)構(gòu)施加很大的物理壓力,。

Techshot是一家與美國國家航空航天局合作設(shè)計BFF的公司，開發(fā)了一種細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng),，可以使組織變硬,，使其在一定程度上抵抗重力的影響�,；罱M織的生物打印可以在一天內(nèi)完成,，然后放置在這個該系統(tǒng)中，進(jìn)行12到45天的強化,。經(jīng)過這一成熟過程,，新的生物打印組織會變得更健康，功能更強,，更有活力,，能夠承受返回地球的旅程。

此前在太空實驗中生物打印的甲狀腺和軟骨組織將被運回地球,，進(jìn)行進(jìn)一步的測試,。研究人員將觀察這些器官和組織的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并了解空間運輸對它們的影響,。目前,，我們?nèi)栽诘却�結(jié)果。

風(fēng)險
與生命中的所有事情一樣,，在地球以外培育器官和組織也存在一定的風(fēng)險,。細(xì)胞在微重力環(huán)境下生長時，無論是在地球上還是在太空中,，都會發(fā)生基因表達(dá)的改變,。操縱和修改干細(xì)胞本身就增加了癌變的可能性,。毫無疑問，操作生命體從來不是一件簡單的事情,！

結(jié)論
遠(yuǎn)距離太空旅行和行星探索是人類一直以來的夢想,，而成功完成生物打印項目對實現(xiàn)這一夢想至關(guān)重要。據(jù)估計,，單程前往火星就需要500天左右,。如果宇航員在那段時間內(nèi)發(fā)生緊急醫(yī)療事故，很可能就無法返回并導(dǎo)致任務(wù)中止,。因此,，用于再生醫(yī)學(xué)目的的生物打印對于長期太空旅行的宇航員來說至關(guān)重要。

在地球上,，如果一切順利的話,，在太空中對器官進(jìn)行生物打印有可能結(jié)束需要器官移植者的漫長等待,。這項技術(shù)還可能消除器官排斥的巨大風(fēng)險,，因為生物打印器官可以使用病人自己的細(xì)胞。當(dāng)然,，我們也必須考慮可能的致癌副作用,，但總體而言，在太空中打印器官,，用人體自身的細(xì)胞按需生長,，是一個比目前現(xiàn)實情況更好的選擇。