絕佳的創新研發場域 – 在太空 3D 列印人體器官,開啟太空醫學新篇章

剛通過卡門線,你就會開始覺得不適

當商業太空三巨頭:伊隆・馬斯克(SpaceX)、傑佛瑞・貝佐斯(Blue Origin)、理查・布蘭森(Virgin Galatic),彷彿每天都在爭誰先上太空時,商業太空旅遊的普及,每天似乎都有新進展,發展速度還因為他們感覺又再快了一點。

不過人體可不是這麼容易適應太空環境的,太空旅遊的最大對手之一,便是如何精準地讓一般人的生理情況,可以控制在一定的風險程度內,比方說,停留在太空的時間,三家品牌目前推出的方案,皆是數分鐘到一個半小時左右,撇開這個「行程」有不有趣,這麼短的時間,對人體的影響就不大。

Peggy Whitson 於國際太空站健身中
每日都要持續健身,維持生理運作順利的太空人佩吉・惠特森 (NASA)

相比於美國待在太空最久(665 天以上)的太空人佩吉・惠特森,已經 61 歲的她,雖然還是仍會成為商業太空任務的指揮官上太空,不過對一般人來說,很容易想得到她不但經驗豐富,又長期經過訓練,比我們容易多了吧?

那麼,超過離地 100公里高度的「卡門線(Kármán line)」,以及在太空旅遊行程是更久的時間的話,我們的身體會有什麼變化與不適呢?

頭昏眼花、天旋地轉、眼球抽動只是基本款

我們的大腦為了應對突如其來的環境改變,會做出程度不一的反應,在微重力環境中,最直接的是會有被稱為「太空適應症候群」的狀況,簡單來說,就是「太空暈眩」。

跟坐船造成的暈眩與噁心感、不適感相似,你的神經系統彷彿全部失靈,會難以分辨每個身體部位與身邊物體之間的位置與關係,這也跟喝醉酒後,要走直線、要抓準與拿起眼前物件,會有距離失準的情況。

被稱為「嘔吐彗星(Vomit Comet)」
被稱為「嘔吐彗星(Vomit Comet)」失重訓練(STEVE BOXALL/ZERO G)

當然,你在出發前,還在地球上時,就會經歷一系列的微重力環境體驗,讓你的大腦與身體能夠儘早知曉會面臨的變化,提高實際在微重力環境中,適應的效率能盡快提高、降低不適感的機會。

不過實際到了微重力中,前人的經驗與研究顯示,人體內的體液、血液的流動也會面臨許多挑戰,伴隨鼻塞、頭痛、頸部靜脈腫脹、頻尿、消化不良、肌肉流失、骨質流失加速等等問題,都會在你旅程的初期全部一起冒出來。

讓你不禁懷疑,花錢上太空是不是找罪受,事實上,剛好相反,越多人參與將越有價值。

太空醫學研究比你想的還有價值

商業太空市場的迅速發展,其價值不僅僅是在火箭的進步、旅遊相關服務的新商機等,一直以來,有許多科學研究與創新應用,是透過在太空無重力環境中,才發現新的解決方案。

在太空待了將近一年的知名太空人史考特・凱利(Scott Kelly),自 2015 年 3 月 27 日始,到 2016 年 3 月 1 日回到地球止,接受了醫師與科學家持續地觀察與研究他的生理狀況,與研究其他太空人相比,科學家與醫師還能夠將他的情況,與雙胞胎哥哥、也是太空人的馬克・凱利(Mark Kelly)觀察與比較兩個相近的個體,在遺傳上與生理的變化,將讓我們更了解人體的運作,甚至有機會對臨床治療有助益。

雙胞胎兄弟太空人史考特・凱利與馬克凱利
雙胞胎兄弟史考特・凱利與馬克凱利 (NASA)

不過論整個太空醫學的研究與發現、對當今醫療帶來的價值,這還算是較小一塊、離應用較遠的一塊。

上太空 3D 列印器官,比地球容易數倍

3D 列印人體組織與器官,聽起來很未來,但這不僅是現在進行式,實際需求也非常大,對現在與未來,不論身處地球與太空的人來說,都價值非凡。

但由於人體組織的複雜性很高,以現今科技要打造出一個「標準量產版」人體器官簡直是痴人妄想,現今醫療科技雖然已有人工器官,但是伴隨的風險,則是很高,3D 列印技術因其「每一件都可訂製、適用於單一情況」的特點,成為發展下一世代人工器官的首選。

不過,在地球上,受重力的影響,運用 3D 列印技術在活體組織上,就變成一件擾人的事情了,科學家在列印組織培養物時,為了防止先列印出來的組織,不被下一層疊加在其上面的的組織影響、且組織構成方式有其規則要依循,會要準備各種支架來處理這個問題,而如果要列印的器官是心臟這麼複雜、腔體又是中空的器官的話,使用支架進行列印反而變成是阻礙。

Precision 3D-Printed Cell Scaffolds Mimicking Native Tissue Composition and Mechanics https://doi.org/10.1002/adhm.202000918
生物性樹脂的工作流程和浸入支架設置 (Wiley Online Library)

微重力環境下,這問題就大幅降低了,欲構成複雜型態的多元組織,不再需要這麼多支架,也變得更加容易。

位於北美的 techshot,不僅是已經從事航太相關研發已經有三十多年時間的公司,他們與 3D 列印設備製造商 nScrypt 共同研發的生物列印技術,已經在國際太空站中使用,進行著許多研究,也已與 Axiom Space 簽署協議,讓商用 3D 生物列印機也安裝在商用太空站上,為更多的研發與需求,開啟邁向未來的重要的鏈結與準備。

太空人克里斯汀娜・柯取正在使用 nScrypt 公司的 3D 生物列印設備 BFF,進行太空醫學研究 (nScrypt)
太空人克里斯汀娜・柯取(Chiristina Koch)正在使用 nScrypt 公司的 3D 生物列印設備 BFF,進行太空醫學研究 (nScrypt)

換句話說,在醫療資源總量遠不及地球的太空中,若 3D 列印人工器官能夠成熟,在遇到需移植器官的嚴重狀況時,將能夠有能力解決,儘管目前的現實是,在地球上,光是腎臟移植手術,每年就約有 100 萬人在持續等待,而每年器官移植的數量,則是這數字的十分之一罷了,仍有許多人只能在等待與擔憂,甚至是絕望中度過每一天,透過太空的研究,或許這個狀況,有一天能夠以極爲有效率的方式解決。

新冠讓 3%~5% 的病人肺部纖維化,那能換一個肺嗎?

nScrypt 的執行長肯尼斯・邱奇(Kennth Church),他的女兒出生時便罹患名為先天性橫膈疝氣的疾病,這個疾病會限制肺部的發展,這種疾病相當少見,約 2,000-5,000 名新生兒中會出現一位,死亡率約 40%-69%,簡單來說,他的女兒只有一個肺在運行,幸運的是,他的女兒今年已經 27 歲,健康地活了下來,不過這也觸發了他想到:「如果我有生之年能為她長出一個肺,那真是再好不過了!」。

ken church
肯尼斯・邱奇與他女兒(SME)

目前全球新冠確診人數已經高達 1.76 億以上,雖然生物列印器官的技術與產出,還需要 10-20 年之間才有機會進入人體移植階段,太空可以加速這研發進程,仍總是緩不濟急的感覺,樂觀地想,人工肺臟移植若成真,對於肺部已經受損的人來說,則是一條全新的機會。

商業太空加速人類向前進的原動力

撇開如果你身體內有很多是人造器官、那你是人類還是機器人的「忒修斯悖論」式的哲學與道德假想,商業太空在當代與未來所扮演的角色,不論那原動力是如肯尼斯・邱奇出於對女兒的愛,還是傑佛瑞・貝佐斯年輕時就對太空的憧憬,還是世界強國運用太空宣示其科研、政治、經濟能力…不論何者,在這個全新的競技場,還有無限的機會 – 甚至是在地球難以實現的機會,等待著更多人去參與。

延伸閱讀:開發新場域 – 太空生醫、建築、食品、時尚

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