《明鏡週刊》駐矽谷特派員湯瑪斯．舒茲（Thomas Schulz），以獨家管道深入矽谷祕密研究實驗室與工作現場，匯集超過150次以上的訪談內容，以觀察入微的細膩筆觸帶領讀者由淺入深，一窺這個當紅產業的獨家內幕。
編按：取其他生物可用之處，為人類截長補短，以及生物3D列印技術，生物合成科技用在醫療領域上將會呈現何種光景？無論你能否接受？是否有道德倫理的疑慮？從皮膚、大腦、心臟、肝臟、骨頭...良好運作的人體器官與組織陸續出現，未來的生命很可能完全於實驗室中誕生。
合成生物學，多方應用創意無限
種種以人工重現自然的嘗試，其實是某個研究領域的一部分，而且日趨重要，這個領域就是合成生物學。在這個領域中，醫學專家與生物學家彷彿化身為工程師：他們設計與建構新的人造生物系統、器官與儀器。
他們也研發人造蛋白質，用細菌或奈米粒子製造生物偵測器，只要把它吞下肚，就能對人體內的毒素或重金屬提出警示。研究人員正努力製出合成精子、卵子，甚至人造基因組：生命，就要自實驗室誕生了。
而合成生物學，尤其更是「匯聚」這一概念的產物，因其集化學、物理、生物、資訊工程、機械與電子工程之大成於一身。一個涵蓋範圍寬廣，因此，對於該如何為它下定義也意見分歧的領域。
不過，若要如以下說明來理解該領域，應該也相去不遠：一種被醫學界與生物界愈來愈視為科技手工業的各種嘗試，一個與傳統醫學天差地遠、專供巧手工程師以新概念發揮創意的空間。
其中，還包括以下這種方法：將光合細菌急速送入心臟裡，用以阻止心肌梗塞病情惡化。心肌梗塞是因動脈堵塞而致使心臟組織壞死，是個可用手術停止其病程的症狀，但手術產生效用通常已在發作一兩個小時之後。這時，心臟多半已受到損害。
因此一直以來，醫學專家不斷嘗試另闢途徑以改善心肌供氧狀態。有種存在淡水中的細長聚球藍細菌（cyanobacterium Synechococcus elongatus），向來以光合作用產生氧氣，研究人員將其注射入動脈堵塞的實驗鼠體內，並施以大量的光照⸺結果實驗鼠的心臟功能立刻明顯改善，比起那些梗塞發作後沒有加以治療的實驗鼠，狀況好很多。
各種合成生物學結合聰明電腦的創意應用範圍，可說自具體實用至天方夜譚，從已實際採用，到僅停留在未來夢想階段的都有。但這一切都已不是遙不可及。
除了Organovo之外，許多新創公司、實驗室及愈來愈多大集團，也已陸續加入3D列印人類身體部位的行列。而目前已可成熟推出的產品，則是人造皮膚。
與其他部位相較之下，皮膚的生理構造是比較簡單的，因此也較容易在體外仿製。2017年初，西班牙科學家發表了一種可在35分鐘內印製出100平方公分皮膚的生物列印機。該機器按照皮膚的構造，從真皮到表皮層層堆疊，內含細胞的血漿在模型裡一層一層壓製，最後並融合一起生長。目前這種合成皮膚已成功移植到小鼠身上。
「這個成果顯示，3D生物列印技術所製出的生物結構皮膚，很適合作為治療或工業用途之用，並且可自動化生產。」馬德里大學(Universidad Complutense de Madrid，簡稱UCM)的科學家發表其皮膚列印機時這麼說。
這對於燒燙傷患者與罹患嚴重皮膚疾病的人來說，不啻為一大福音。除此之外，化學與化妝品集團也斥重金投資生物列印，因為人造皮膚可用於產品測試。
例如萊雅（L'Oreal），它已可自行在實驗室製造合成皮膚，不過還未達到完全仿真的程度。因此，該集團便於2015年與Organovo結盟。另外，它還與法國新創公司Poitis合作研發人工髮根⸺這可比印製合成皮膚複雜得多，因為毛囊是由至少十五種細胞類型組成。
還有寶鹼（Procter & Gamble），無數清潔用品的生產廠商，旗下產品包括Ariel 洗衣粉與Meister Proper清潔劑等等，以及德國化學公司巴斯夫（BASF）集團，也紛紛投資3D列印皮膚，用來測試產品的副作用。
許多新創公司正在進行的下一步，則是在所需的身體部位直接印製合成皮膚，進而取代原本繁複麻煩的移植手術。美國新創公司RenovaCare進行中的實驗，是一種傷口治療噴槍，皮膚幹細胞可經由這種噴槍直接噴在燒燙傷口上。
目前市場上約有100種以上的醫療用3D列印機，並陸續有新的生物列印應用項目推出。幾乎所有大型製藥公司與醫療設備廠商，都有自家的合成生物學計畫。
瑞士羅氏大藥廠與兩家生技公司合作研發人工胰臟；西門子（Siemens）則致力於研究「在生物反應器中製造器官的作業系統」，不僅提供各種不同的新式實驗技術，也與符茲堡大學（Universität Würzburg）的組織工程與再生醫學系合作。
合作案中的研究人員已合成出一小段人類氣管，並成功移植至重症病人體內。此外，他們也在研發人造皮膚的自動化生產線。
有鑑於生物列印領域眼前所創出的榮景，美國官方機構於2017年末首度發布一份指南，用以規範這些新技術的發展，並促進這些技術的進步。
「 3D 列印醫療設備、藥物與人造生理組織，這些在不久前還屬於未來想像的技術，感覺那麼遙不可及的東西，如今已迅速成為可滿足多方需求的事實。」前食品與藥物管理局局長史考特．高特里布如此說。生物列印產品的研發與許可，想必將因而更加快腳步。歐洲相關機構也有類似的計畫。
從合成肝臟開始，終結器官捐贈的漫長等待
不過，生理組織與皮膚只是第一步。最終目標，其實是為了在實驗室再造人類身體的重要部位：我們的器官。全球每年約有十三萬個器官移植病例。這數量不算多，但並不是飽受心臟、腎臟、肝臟或其他器官衰竭而有生命危險的患者不多，而是因為缺乏足夠又適合的捐贈器官可移植。
等待器官捐贈的名單是很綿長的，許多人等不到適合的器官就已先離世。德國2016年接受心臟移植的病患，還不及名單人數的一半；在英國，等待一顆可移植的腎臟需時3年半；而美國的情形則是，據專家估計，若有足夠的器官與生理組織可供移植，每年將有上千上萬人可免於死亡。
由此看來，人工器官的優點已不言而喻：有了人工器官，無人再須寄望善心人士捐贈器官，或等待某個捐贈者死亡以得到適合的器官。
有些專家很確信：幾年之內，或至少在2020年代中，第一個可供移植的人體部位3D生物列印技術便可臻成熟。因為其相關技術，其實跟列印生理組織所用的技術沒什麼兩樣：在實驗室製作準備器官所需的特定細胞，以凝膠或高分子聚合物傳送，再根據電腦鉅細靡遺的編程內容，印製出一個三度空間的結構體。然後，細胞就會在此成長為一個有生命的器官。
依目前Organovo實驗室確實可運作的肝臟組織看來，首先可行的必然是合成肝臟。不過在人工腎臟方面的研究也大有斬獲。20年來，許多醫師嘗試以人工方式重建腎臟功能的運作，為的就是讓數百萬人免除洗腎透析治療的痛苦，因為那是一個既耗時又累人的療程，而且效果還遠不如人類自己的腎臟。
哈佛研究人員日前以改良過的生物列印方法，成功生仿出腎臟繁複構造中的基本功能單位：即所謂的腎元（nephron），在腎臟中負責過濾血液。若能仿造出這個功能，理論上就有辦法再造出整個腎臟。
但反之，在實驗室中製造出人工心臟就困難多了，因為這個器官的內部結構複雜得不得了。（延伸閱讀：世界上首顆3D列印心臟問世！有血有肉會跳動）
不過材料科學方面的進步又為人類帶來了希望：蘇黎世聯邦理工學院的研究人員研發出一種矽膠做的心臟，外觀上與人類心臟非常接近，跳動起來也宛如人類心臟⸺至少可持續一小陣子。其心室收縮則交由外部連接的唧筒負責，用以取代心肌的功能。
不過跳動約3,000下後，矽膠就會開始欲振乏力：這種心臟還沒有辦法運作超過45分鐘，研究人員在科學期刊《人工器官》（Artificial Organs）上如此報導。是的，連器官工程領域的專業刊物都有了。
責任編輯：張庭銉
本文整理、摘錄自：《明日醫學：終結絕症×訂製基因×永生不死，迎接無病新世紀》
