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「列印」出心臟?3D生物列印真的可取代器官移植?

器官壞了怎麼辦?等著別人的捐贈還是動物器官的移植?台灣每年器捐人數不到兩百人,卻有近萬人等待適合自己的器官出現。如此絕望的供需失衡比例,在今日科技發達的應用之下,替患者帶來了一絲曙光。如今,藉由3D列印技術,可用自己的細胞列印出自己的心臟、腎臟,苦苦等待器官捐贈的患者,難道可以拜新科技所賜,再也不用面對等不到器官的窘境了嗎 ?

 

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當3D列印遇上醫療

 

在檢視新興的3D列印技術是否真的能夠解決器官短缺的文提前,先讓我們來一窺3D技術的應用層面!

 

3D列印(3D Printing)是一個在電腦控制下疊層原材料,印製成三維物體的過程。這樣的技術用在生物醫療領域,主要可以統整為四大部分:

 

一、模擬(Simulation)

過去許多需要手術的病患,細部病徵都得在醫生手術當下時,親眼所見後才能隨機應變、見招拆招。而在利用3D列印技術後,病患可以先做電腦斷層掃描(CT Scan)及磁振造影(MRI)影像、機器建模後,3D列出器官或內部組織模型,讓醫生在手術前即可更全面、精準的評估,以增加效率。

 

二、金屬植入物(Metal Implants)

骨外科重建等手術常需要用到金屬植入物,傳統作法只能靠電腦模擬、加工開模製成,與人體匹配度低。現在利用3D列印技術,經由病人掃描CT及MRI影像後,即可客製化印出符合生物相容性之金屬植入物,常見材料為Ti及Co-60,但須考慮人體排斥問題。

 

三、暫時性支撐材料(Temperate Material)

這種列印材料需能被人體吸收代謝,例如生物相容性PCL、蠶絲蛋白,用於泌尿道重建、下顎修補、心血管支架等,由於這項技術需通過藥物法規,進行三期臨床試驗,目前仍處於研究階段,遵循醫療研究法規進行實驗,在歐美、日本皆有成功案例。

 

四、生物列印(Bio-Printing)

若將暫時性支撐材料上面放上細胞,加上生長因子誘發細胞生長,就是近期如火如荼發展的「生物列印」,科學家希望利用幹細胞及自體細胞印出器官,取代器官移植,但目前技術只能印出有作用的局部組織,完整器官的列印仍是漫漫道路。

 

看似如此神奇的生物列印技術,到底在哪裡成功執行了呢?讓我們來看看各地成功應用的案例。

 

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3D生物列印在世界各國趨勢

 

在電影「絕地再生」中的複製人,可以隨時提供主人所需的複製器官,在車禍、生病後無需等待器官捐贈,能使用沒有排斥反應、完全和自體細胞匹配的組織;而這樣的科技在今天看到了它的影子,那即是生物列印。但到底還需過多久,才能實現如引言中所提到,解決成千上萬患者等不到適合器官已移植入自己體內的問題呢?讓我們從各國的發展,來一窺此技術目前的應用成熟程度。

 

美國Organovo公司在2015年成功列印出肝臟組織,且能維持功能40天,該公司將之運用於藥物試驗,減少實驗動物用量;康乃爾大學也列印出心臟瓣膜及耳朵軟骨,目前進行豬隻實驗中。日本已經將3D列印人工脊椎骨應用在病人身上,並著力開發皮膚、軟骨與關節組織的生物列印。另外,德國也發展出新一代生物墨水,降低列印後與人體的排斥反應,而韓國、俄羅斯亦積極開發,急起直追。

 

台灣目前在國防醫學院、台北榮總及中國醫學大學附設醫院均有3D列印研發中心,透過醫療人員及工程師等跨領域合作,針對實際個案設計出1:1的骨頭、器官模型,讓醫療團隊能在術前精準規劃手術方式;也能客製化手術導板,協助手術進行。

 

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生物列印與再生醫學的困境與突破

 

上述提到的列印器官技術,雖然看似酷炫新奇,但現實層面上仍尚有許多未解決的實踐問題。

 

從技術實踐的問題來看,首先,生物列印是用病患自體的細胞製作「生物墨水」,填入列印機噴頭。細胞數量、品質、能不能撐過噴射堆疊過程而順利存活下來,這是第一個難題。再來,生物列印需要用「水凝膠」(hydrogel)等材質,做出器官的支架,讓細胞能附著在上面生長。待組織生成一定程度,支架需要被吸收或排出,這是第二關卡。最後,器官印出來後,血管能否與周遭組織相連接,順利輸送養分,也相當關鍵。

 

除了器官列印,每年為了藥物實驗犧牲的動物高達1.2億隻,若生物列印組織可以大量、標準化生產,落實動物福利之外,也因使用的是人體組織,實驗結果更接近現實。

 

而從法令規範的部分來說,醫療3D列印到底算不算醫療器材或藥物?各國沒有明確制定,只有美國尚在研議當中,目前實驗皆仰賴醫療研究法規來進行。也因為生物列印高度客製化,如何標準化流程制定,在商業化之前還有很大的挑戰。

 

預估在2025年,3D列印產值達70億美元,而其中生物列印將佔有五成之多。醫療3D列印解開了諸多人體奧秘,讓醫師在手術前就可以模擬病患體內情境、讓體內外植入物可以客製化,貼近每位病人的需要。雖然目前列印出能獨立運作的器官仍有很大技術要突破,但取代部分器官移植、臨床試驗的光景指日可待。面對永不退流行的醫療市場、許多顛覆奇想的新發現,讓我們從造福人群的角度來看見商機

About 董 乃昀

工程背景出身,投入生醫創新領域,熱愛美食與跳舞。深入波士頓、北歐參訪,實地體驗來洞察國內外科技創新趨勢動脈。 你是人生的導演,也是演員。 Have an Impact, make a Difference.
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