一分钟看懂医疗热词:3D打印、免疫疗法、医疗机器人、干细胞培养......

 

　　一分钟，就是六十秒。这个时间足够你泡一杯速溶咖啡、等一场《英雄联盟》的开局或者回复一条微信；与此同时，你的心脏跳动了六十到一百次，你的肺在肋间肌和膈肌的帮助下充盈了十六到二十回，随着食糜流动，你的肠“鸣叫”了四五声。

　　你身上的每一个器官，都在为你的健康奋斗着，而它们并不是唯一关心这件事的人——还有医生和科研工作者。你可能觉得这些人高深莫测、不那么亲民，因为他们时不时抛出一些难懂的名词出来。3D打印呀，免疫疗法呀，等等。

　　其实，想弄懂这些名词也不难，只要六十秒就够了。

　　3D打印 

　　不管是科学研究、工业生产，还是临床治疗，都难免会遇到模型问题。以口腔科常见的烤瓷牙为例，烤瓷牙的制作包含了内冠铸造和瓷层成形两部分。内冠铸造需要模型，这个模型是怎么来的呢？

　　首先，用药物或机械性手段，让患者的牙龈收缩；接着，将藻酸盐涂抹在患者的牙齿上，这是第一次取模；再接着，用超硬石膏灌注藻酸盐模型，制作工作模型，这是第二次取模；最后，对石膏模型进行修整，用蜡制作更为精细的铸造模型，这个模型，才可以用于内冠铸造。

　　每一步，都是对技术和耐心的考验；而技术和耐心都是要收费的。一来二去，不仅周期长，价格也上去了。

　　有了3D打印就不一样了。

　　3D打印，可以看做是三维快速成型技术的统称。从最早的立体光刻，到最近大热的熔融沉积成型，经过三十多年的发展，出现了诸多分支。其原理，各不相同。熔融沉积成型，是比较好理解的，就跟捏糖人差不多。先把打印材料融化，然后按照图纸，一点一点，一层一层，沿着横轴、纵轴、高度轴，把材料堆积起来。如此一来，就能跳过中间痛苦的取模过程，迅速、廉价地得到我们想要的产品。

　　当然，学者们的野心不会止步于此——器官是由一个一个的细胞组成的，假如用细胞做打印材料，能否直接打印出患者所需的器官呢？

　　传统上的器官移植，一方面捐献者稀少、来源不固定，我国每年约有一百五十万名患者需要接受器官移植，但其中只有不到百分之一的患者能够获得合适的器官【1】；另一方面，每一个人的高矮、胖瘦、器官形态，都有一定的差异，免疫系统又十分“敬业”，力求杀死任何“外来者”，大大降低了器官移植的成功率。

　　2009年，清华大学器官制造中心，利用自主研发的第二代双喷头生物材料3D 打印机(细胞组装仪)首次，将脂肪干细胞和成体肝细胞组装成具有分支血管系统的肝脏前体模型。【1】 

　 

（清华大学官制造中心第二代双喷头3D 打印设备及肝细胞和脂肪干细胞的组装结构【1】） 

　　虽然这离完整打印器官还有一些距离，不过，随着3D打印机进一步普及，越来越多的顶尖头脑涌入，笔者相信，充足的移植器官，只是时间问题。

　　医疗机器人 

　　阿诺.施瓦辛格塑造的荧幕形象，太过深入人心。提起机器人，很多人都会想到“终结者”。不过说实话，人形机器人未必是个好主意，很多时候，我们仅仅需要一双手和一双眼睛……

　　1994年，美国的Computer Motion公司研制出了第一台协助微创手术的系统，取名伊索（AESOP），迈出了机器人在临床应用中的第一步。1999年“达芬奇”(daVinci)诞生。这套由Intuitive Surgical公司研发的系统，先后通过了欧洲CE市场认证和美国FDA市场认证，是目前世界上唯一可以在手术中使用的机器人手术系统【2】。

 

（达芬奇手术机器人，图片来源于网络） 

　　外科手术从技术层面，可以分为三代。第一代即传统的开放手术，18世纪80年代，医学先驱Billroth打开了患者的腹腔，完成了人类历史上首例腹部外科手术，这种外科手术一直沿用至今。 20世纪80年代，以腹腔镜技术为标志的微创手术取得突破性进展，在许多外科领域取代传统手术，被称为第二代外科手术。进入21世纪，以达芬奇（da Vinci）为代表的手术机器人开发并迅速投入临床应用，以其全新的理念和技术优势被认为是外科发展史上的又一次革命，也预示着第三代外科手术时代的来临。

　　达芬奇手术机器人包括了一套视觉系统和数个机械臂。传统手术切口大，微创手术视野狭窄，对操作者的要求高。有了达芬奇的帮助，临床医生可以通过声控、手控或踏板精准地操作机械臂，借助双CCD摄像系统观察手术部位，这两个问题都能得到缓解。

　　达芬奇手术机器人的另一个特点，是为远程医疗提供了可能。借助高速、稳定的互联网，医生可以通过屏幕实时了解病人的状况，运用机械臂，在千里之外，完成手术。

　　中国人口众多，地域广阔、医疗资源不仅在整体上面临着不足，而且分布极不均匀，加剧了供需矛盾。假如，远程医疗能克服技术难题，在政策和伦理上获得认可，对于患者，尤其是贫困地区的患者而言，意义非凡。

　　肿瘤的免疫疗法 

　　3D打印也好，医疗机器人也罢，都是眼见为实的。相比之下，肿瘤的免疫疗法，显得有些云缭雾绕。

　　人体的免疫系统，按照功能，可以分为三部分。第一部分，是皮肤、黏膜等，它们就像阵地前面的铁丝网和壕沟，通过物理屏障，将自然界的诸多病原物质，隔绝在人体之外；第二部分，是吞噬细胞、杀伤细胞等，它们是正规军，每时每刻都在巡逻，一旦发现敌人，就拉起警报，集合绞杀；第三部分，B细胞、T细胞等，有点特种兵的意思，它们能够记录、识别敌人的特点，并围绕敌人的弱点，发展出了一套行之有效的对抗手段。

　　通常情况下，三者互相协作，保障阵地（人体）的安全。但是，遇到肿瘤，就不大灵了。

　　首先，肿瘤的原因十分复杂，既有外来因素，又有内鬼策应，第一道防线作用不大；其次，肿瘤细胞形成后，一方面会分泌大量的生长因子，促进自身成长，另一方面，会分泌很多抑制免免疫系统的物质，第二道防线因此受挫；第三，许多肿瘤细胞表面看上去和正常细胞无异，另一些肿瘤细胞则可以阻断T细胞的免疫应答过程，最后一道防线，就这样失守了。

　　19世纪90年代，美国医生威廉姆.科莱（William B. Coley）首次提出了癌症免疫疗法。【3】不过，当时对人体的免疫系统认识不多。所以，免疫疗法真正取得突破，还是近几年来的事。

　　第一，科学家们发现，一些癌症和病毒感染高度关联，只要针对病毒开发出相应的疫苗，就能大大减少某些癌症的发病率；第二，分子生物学的进步，给了我们提取、纯化、增殖免疫物质的能力，为病人注射这些物质，可以增加他们的免疫力，进而达到杀伤肿瘤细胞的目的；第三，前面说到，肿瘤细胞可以阻断T细胞的免疫应答，那么，可不可以通过外力训练T细胞，把它重新武装起来呢？

 

（免疫疗法的原理；图片来源于网络） 

　　这就是免疫疗法的三个主要方向，有些已经有了重大成果，比如通过对人乳头瘤病毒的研究，明确了它跟子宫颈癌的关系，并因此研发了对应疫苗，使全球数十亿人获益；【4】另一些，则任重而道远。

　　需要指出的是，虽然肿瘤的免疫疗法已经取得了一定的成绩，但是，很多研究还停留在实验室内或临床试验阶段，真正大规模应用还需要一定的时间。患者在接受治疗时，一定不可以盲目求新，而应该综合考虑成本、疗效和副作用，配合医生，选择最为合适的治疗方案。

　　干细胞培养 

　　2014年1月30日，小保方晴子在《自然》杂志发表了一篇论文。这篇论文，先是被当做诺贝尔奖级别的突破，接着，受到多方质疑，最终，小保方晴子的博士学位被撤销，其指导教授笹井芳树上吊自杀。

　　小保方晴子究竟说了些什么呢？

　　人体是由细胞组成的，但细胞与细胞之间，并不平等。从头发丝儿，到脚趾甲，追根溯源，所有的细胞都是由有丝分裂产生的，共享同一套遗传物质。但在分化能力上，胚胎干细胞可以分化成人体两百多种细胞中的任何一种，造血干则只能分化出血细胞，体细胞更惨——削苹果的时候，手上不小心划个口子，伤口只会上皮细胞，绝不可能长一只眼睛出来。

　　就好像，人体在发育过程中，给不同的细胞，戴上了不同的枷锁，确保它们各司其职，不会乱来。这对于健康当然有着重要的意义，但是对于科研工作者来说，就是一个巨大的挑战了。

　　首先，假如干细胞定向培养技术成熟，我们可以运用干细胞、甚至诱导体细胞产生干细胞活性，在体外培养出器官和组织。这些器官和组织，既可以当做器官移植、损伤器官的修复的原材料，也可以服务药品研究，使药品研制的过程更为有效 。

　　其次，神经系统再生，一直是临床一大难题。2005 年，韩国学者发现，一例脊髓损伤(SPI)患者接受了脐带血多能干细胞移植之后， CT 和核磁共振成像显示受损脊髓和部分马尾得到了再生，提示脐带血中的干细胞能够有效的治疗脊髓损伤。

　　此外，还有学者发现，前列腺癌小鼠输注接受干细胞注入后，肿瘤细胞增长迟缓，小鼠的平均寿命有所增加。虽然其中的生理机制尚不清晰，但是，干细胞在治疗恶性实体瘤方面的巨大潜力，不容忽视。

　　因为胚胎干细胞的研究涉及到很多伦理问题，所以，学者们一直试图让体细胞产生多向分化能力。小保方晴子论文中提到的刺激触发性多能性获得细胞（STAP）即是其中之一。

 

（STAP细胞，图片来源于网络） 

　　 

        基因组快速测序 

　　上面所的技术，都是奔着治疗去的。基因组快速测序则不同，它主要服务于预防。

　　基因组快速测序，顾名思义，它首先是基因组测序。

　　拜孟德尔、沃森、克里克等学界伟人所赐，我们现在知道，DNA是由脱氧核苷酸组成的双链螺旋结构。人体内的脱氧核苷酸，根据所含碱基的不同，可以分为四种：脱氧腺苷三膦酸（以下简称dATP）、脱氧鸟苷三膦酸（dGTP）、脱氧胞苷三膦酸（dCTP）、脱氧胸苷三膦酸（dTTP）。

　　四种脱氧核苷酸的结合，非常有特点。这条链上的dATP，只和对面链上的dTTP结合，dCTP则只和dGTP结合；同时，每一种脱氧核苷酸，与同一条链上的相邻脱氧核苷酸之间，都能形成化学键，彼此相连。

　　随后，学者们发现了双脱氧三磷酸核苷酸（ddNTP）。这类核苷酸也有四种（ddATP、ddGTP、ddCTP及ddTTP），可以跟对面链条上的脱氧核苷酸结合；但是，因为与正常脱氧核苷酸相比，缺少一个氧基团，它们无法与相邻脱氧核苷酸形成磷酸二酯键。也就是说，一旦它加入DNA合成，DNA链条就再也无法延长。

　　在此基础上，1975年，弗雷德里克.桑格发明了世界上第一种DNA测序手段，即，双脱氧链终止法，也称Sanger法。Sanger法首先要将目标DNA拆成单链；接着对单一链条进行扩增，得到很多份一模一样的基因序列；再接着准备四组合成实验，分别加进去ddATP、ddGTP、ddCTP及ddTTP。

 

（Sanger法原理，图片来源：http://www.mokkka.hu） 

　　因为双脱氧三磷酸核苷酸随机终止了DNA单链的延长，所以我们会得到一系列长短不一的DNA链。对这些DNA链进行电泳，确定其长度，再根据之前投放的双脱氧三磷酸核苷酸种类，就可以推导出目标DNA的序列。

　　可以想象，这样的方法，不仅耗时长、操作复杂，而且价格昂贵，一般人是承受不起的。

　　近几年来，随着计算机技术的进步，我们可以把一条DNA链分解成很多个小片段，同时进行多组测序，待每一部分的测序都完成后，再通过计算机运算、推导，把结果整合起来；对每个片段进行测序时，虽然还要依赖Sanger法，不过，我们现在有能力给每一种双脱氧三磷酸核苷酸加上一个特定的荧光基团，只需要配合显影技术，就能准确、快速地确定其位置，进而获取精准的序列。

　　传统的Sanger测序需要3至4年的时间、花费3亿美元才能完成一个人类基因组30亿个碱基对的测序，新一代测序技术可以将速度提高200倍，把成本降低到数百美元。【5】 

　　成本下来了，才有了大规模应用的可能。基因快速测序，不仅可以对胚胎进行遗传病筛查，促进优生优育，而且可以用于肿瘤等方向的研究，惠及每一个人。

　　总结 

　　医学和其他所有自然学科一样，建立在经验论的荒地上；也和其他所有自然学科一样，从其诞生的那一刻起，就向着解决更多问题、惠及更多人努力。

　　不过，医学有其特殊性。医学不仅是一门科学，也关乎道德，具体到每一个医生、每一次诊断，它还意味着科学与道德的实践。这就要求，每一种技术在进入临床应用之前，都必须进行充分的讨论。

　　某些领域，比如干细胞培养，舆论的走向关系着研究的存废；另一些时候，比如运用机器人进行手术，能否化解病人的焦虑，有可能会对治疗结果产生巨大的影响。

　　当然，沟通总是双向的。公众应该主动了解一些医学常识，关注医学热点。笔者在医院的时候，发现了一个很有意思的现象。很多人，在自感健康的时候，讳疾忌医，刻意回避体检；一旦患上某种疾病，又恨不得每个医生都是华佗在世、药到病除。这样的心态，不但对治疗不利，而且常常被医疗骗子利用，弄得人财两失。

　　每一个热词背后，都是几代科研工作者与临床医生的心血。没有人敢向你许诺，你有一个定健康的未来，但是他们，一直在为你未来的健康而努力。

　　参考文献

　　1， 王镓垠, 柴磊, 刘利彪, 等. 人体器官 3D 打印的最新进展[J]. 机械工程学报, 2014, 50(23): 119-127.

　　2， 李宁. 达芬奇手术机器人的应用进展[J]. 东南国防医药, 2010, 12(5): 427-430.

　　3， 果壳网，癌症免疫疗法的“神话”，http://www.guokr.com/blog/750803/

　　4， 许雪梅. 人乳头瘤病毒及宫颈癌疫苗的研究——解读 2008 年诺贝尔生理学或医学奖[J]. 生物化学与生物物理进展, 2008, 35(10): 1095-1103.

　　5， 陈琛, 万海粟, 周清华. 新一代基因测序技术及其在肿瘤研究中的应用[J]. 中国肺癌杂志, 2010, 13(2): 154-160.