给我打印一个新的肝脏!

加拿大科学家公布了一项可以将二氧化碳废料转化为乙烯的技术。乙烯是一种高价值气体，用于制造聚乙烯和一系列其他产品。该系统使用了一种聪明的、新型的、廉价的铜基催化剂，它可以选择性地抓住并排列二氧化碳分子，使它们与水一起反应，生成纯乙烯。此前，乙烯的主要工业来源是石油，因此这种新方法有可能减少二氧化碳排放，并减少石油消耗。多伦多大学的泰德·萨金特带领克里斯·史密斯经历了新的过程。

泰德:我们有一个吸收二氧化碳的系统，所以它消耗二氧化碳。它还使用可再生能源，即来自太阳能电池或风力发电场的能源，它使用这两种成分生产乙烯，乙烯是一种主要的商品化学品。

克里斯:那就是我们用来制造聚乙烯的东西吗?

泰德:没错。所以这是一个巨大的全球产业。这是一个价值600亿美元的产业，今天它的碳足迹很大。人们对捕获和封存二氧化碳非常感兴趣。但问题是你没有从中获得价值。你只是把它埋在地下。因此，整个社会——包括我们自己在内——一直在努力寻找方法，将二氧化碳升级或利用成一种有价值的产品，以促进二氧化碳的消费和利用。

Chris -这里的问题是，在化学中，当我们燃烧含有碳的物质时，我们会释放能量，而我们扔掉的废物是二氧化碳，而到目前为止，地球一直是一个很方便的地方。所以，为了从二氧化碳中得到有用的东西，你必须做一些功。到目前为止，要让这些方程以一种经济上可行的方式叠加起来是非常困难的，这是值得做的。那么你是怎么解决的呢?

泰德:所以为了创造有价值的东西，你还需要以一种相当纯净的形式来制造它。之前，我们和其他团队已经制造出了所谓的多相催化剂。这些基本上都是金属，在金属上，二氧化碳和来自电的电子，它们和水混合在一起。然后反应产生乙烯。我们发现一些来自加州理工学院的杰出学者成为了我们的合作者他们想出了一种把分子放到催化剂上的方法，这些分子让你想要反应的二氧化碳，以一种特殊的、可控的方式站在催化剂上。它允许我们控制二氧化碳的方向，这样我们就可以有选择地把它变成乙烯。所以当反应进行时，两个二氧化碳最终结合在一起，它们形成了这个两个碳分子乙烯，然后我们简单地收集了反应中与水混合的气体。

克里斯:那么整个催化过程是如何进行的呢?你的饲料中含有二氧化碳气体吗?

泰德:是的。所以我们吸入二氧化碳。它和催化剂相互作用，而且是在有水的地方发生的。水提供氢来生成这些碳氢化合物。

克里斯-这有多快?这真的可行吗?因为其中一些催化剂，可以将极其缓慢的过程转变成稍微慢一些的过程，但在工业上是不可行的。你的流程快吗?

泰德:在这个领域里，我们用一种方法来描述反应的活性或速度，那就是电流密度。我给你们一个感觉，它之前使用这些分子是什么，大约是1毫安每平方厘米。现在我们在这个项目中建立了一个系统，设计用于工业生产，大多数工业界的人都会同意你需要达到每平方厘米100毫安才能有一个工业上有趣的过程。我们设法达到了200毫安以上，所以我们实现了超过一百倍的增长。我们确实进入了工业利益的范围。

克里斯-那么把这样的东西连接到一个大型发电厂的烟道流上可行吗，然后处理一个燃煤电厂，一个下午可能排出的3万吨二氧化碳?

泰德:所以我们需要做很多额外的工作来扩大规模，但是我们已经做了计算，我们知道一个钢铁厂或水泥厂会产生多少二氧化碳。我们知道有多少电可用，我们也需要供应水。这实际上是这三个提要中最直接的，应该可以将它们结合在一起。我们相信，随着我们的系统在能源效率方面取得更多的进展，生产可再生乙烯而不是化石乙烯在经济上甚至会变得有吸引力。

Chris -所以你们有效地得到了碳中性塑料?

泰德:没错。你最终吸收了原本会排放的二氧化碳，并将其隔离在塑料制品中。

世界卫生组织的一份新报告发现，全球高达80%的儿童没有得到足够的锻炼，在一些国家，这一数字可能高达97%。那么这有什么影响呢?克里斯·史密斯采访了剑桥大学生理学家克里斯多夫·施维宁。首先，克里斯问，为什么这很重要?

Christof:有很多原因，但首先，让我们弄清楚，青少年总共需要一个小时的中等到高强度的运动。就像你说的，80%没有达到目标。

克里斯:是每周吗?

Christof——每天。每天一小时。我必须说，成年人也没有达到他们的目标。其中约80%的人没有管理好每周两个半小时的锻炼时间。孩子们并不是独一无二的，当然，如果没有锻炼，你就失去了进一步锻炼的能力，甚至在未来维持生命的能力。如果你锻炼得少，那么随着时间的推移，你就能做得更少。

Chris -可能不仅仅是容量的问题吧?这大概也与你抵御疾病的能力有关吧?

克里斯托弗:哦，是的，当然。所以健康不佳会带来很多压力。因此，心血管压力与健康状况不佳和逐渐脱水有关，而运动非常有助于支持这一点。或者你也有肌肉质量，肌肉质量当然，肌肉储存碳水化合物，如果你生病了，这也很重要。还有骨密度，还有荷尔蒙分泌量，如果你不锻炼，它们会逐渐减少。然后另一个关键的方面，有时被忽视，是心理健康方面走出去，定期锻炼，特别是在户外，这对心理健康非常重要。

克里斯-所以这真的是敲响了警钟，不是吗，这么少的孩子可能符合这些要求?你认为这是为什么?

克里斯多夫:我认为孩子们缺乏锻炼的原因有很多。部分原因是他们从周围的成年人那里学习，他们也没有做足够的锻炼，但是如果你有这些节省劳动力的设备，不锻炼是很容易的，现在我们也看到很多这样的电动滑板车。甚至没有必要骑自行车去上学。坐在一个温暖的房间里，拿着电子设备和你的朋友聊天，而不是出去和他们见面，这是很容易的。

亚当:那么什么是主动的呢?门槛是多少?是不是因为我们坐在轮椅上在办公室里跑来跑去，这不算。那么是什么呢?

克里斯托夫:这就是整个问题，这就是为什么人们会从每天走一万步逐渐转变为每天一小时的活动，这在科学上确实是一个范围，因为你可以做很多非常低水平的活动。在椅子上来回走动——如果你一整天都在做，而且相对活跃，并没有那么糟糕，但你可以缩短你需要锻炼的时间，如果你让锻炼逐渐变得更激烈的话。这实际上是一个公共沟通问题，因为如果你开始画出一个强度与时间关系的方程，它就会变得复杂。所以我们有简单的统计数据，比如每天一小时的中等到高强度活动。这很好。

Chris -我认识的一个人试图争辩说，他们可以把几杯葡萄酒算作一天五杯，因为它们是由含有水果的东西制成的。我们必须纠正他们的那种观念。

克里斯托夫-这是一天五件中的一件。

克里斯:如果我们继续这样做，长期的后果会是什么?结果会是什么?

克里斯多夫:结果确实是一个早期死亡率的问题，也是一个疾病状态的问题，二型糖尿病的发病率不断上升。越来越多的不运动也会导致一系列的行动问题。所以看起来不太好。

阿玛莉亚·托马斯将带你快速了解器官捐赠的科学知识。

1986年12月17日，在剑桥的帕普沃斯医院，一件相当惊人的事情发生了。达维娜·汤普森(Davina Thompson)成为第一个接受心脏、肝脏和肺移植手术的人，手术耗时7个小时，共有15人参与。她又活了12年。

那么器官捐赠是如何运作的呢?如果你病得很重，你可能需要器官移植。这包括从捐赠者那里取一个器官，然后把它放在你身上，这样健康的器官就可以接替受损器官的工作。我们最近经常听到这种手术，这是一种很常见的手术，但是将一个人的整个器官捐赠给另一个人是一种只有60年历史的手术。第一例是在1954年，美国海军军官理查德·赫里克从他的同卵双胞胎兄弟罗纳德那里得到了一个肾脏。

这对他们来说效果很好，因为他们是同卵双胞胎，所以理查德的身体并没有真正注意到旧器官和新器官之间的区别，只是新器官起作用了。但是两个不是很亲近的人有着不同的基因。然后免疫系统就能注意到差异，并攻击新的器官，因为就它而言，它不属于那里。如果血型不相容也会发生这种情况。

这被称为器官排斥。器官排异反应可能很快发生，在移植后一周内就会发生。如果不及时处理，就会危及生命。我们可以做一些事情来尽量减少这种情况。首先，两个人的基因越接近，如果他们是兄弟姐妹或父母，他们的基因就越相似。也许足够接近，它不会干扰接受器官的人的免疫系统。

你可以做的另一件事是让免疫系统安静下来。有几种药物可以用来降低免疫系统的攻击性，但这些药物都有自己的副作用。

现在我们可以移植各种各样的器官;肾脏，心脏，肺，肝脏，这些人的生活质量会有所提高。想想我们将来可能会做些什么!

在实验室中制造和维持器官的最大挑战之一是管道——让营养物质进入，并将废物排出。这是血管系统的工作，它将血液输送到全身各处，对保持组织存活至关重要。哈佛大学Wyss生物工程研究所的Mark Skylarr-Scott和他的同事最近提出了一种3D打印大型血管化人体器官构建块的新技术。这项技术为细胞团之间的血管提供了路径，以帮助组织保持营养。使用这种方法，他们成功地使心脏细胞团存活了数周，这在以前几乎是不可能的。马克带着凯蒂·海勒经历了整个过程……

第一步是准备大约一杯干细胞。在一个实验室里，使用一种叫做生物反应器的东西来产生大量的三维干细胞。然后我们需要引导这些细胞变成心脏细胞。所以我们把正确的成分放入这个生物反应器中，这样它们就能发育成心脏细胞。

马克:干细胞，然后我们提供化学物质让干细胞认为它们应该发育成跳动的心脏细胞。到目前为止，这是一个相当标准的过程。现在，如果我们有数以亿计的心脏细胞，心脏不是数以亿计的细胞漂浮在生物反应器里。它实际上是一个跳动的固体器官，你知道，泵出血液。我们现在需要想个办法把这些合成一个组织。

接着是第二步，现在我们有了数亿个细胞。现在，是一小块组织。所以我们实际上，它们不是单个细胞，它们是小团块，大约半毫米宽。如果我们现在把这些小团块放在离心机里，我们就能把它们挤在一起。我们把它们旋转下来，它们就形成了一个小的细胞小球。在冰上冷却，现在是0度。

马克:然后我们用3D打印机将明胶——室温下为固体，37度时为液体——三维注入这组细胞聚集体中。现在，如果这种材料是液态的，明胶就会下沉，我就不能创造一个3D结构。如果材料，如果我的细胞太坚固，我基本上就会把它雕刻得像火鸡一样，当我用喷嘴和3D打印机把明胶注入3D。这也会破坏组织。但是因为这些细胞是介于液体和固体之间的，我实际上可以进去放置材料，这种明胶材料在三维空间中，它会固定在原地，所以当我现在提高温度时，我的细胞都粘在一起。现在我的组织变成了固体状，而我打印的明胶融化了，变成了液体状。如果我现在把明胶冲出来，就剩下空间了。我留下了一些通道，我现在可以把一个泵连接到这些通道上，实际上保持组织的活力，保持它的灌注和活力。

凯蒂-所以这有点像金发姑娘粥的情况。这和全尺寸心脏血管化的方式有什么区别?

马克:就我们的发展过程而言，这是非常不同的，但这显然是因为创造一个器官用于移植的目标，你不能等，你知道，一个成人心脏的发育需要20年，我们需要能够快速制造它。所以这个过程是非常不同的。

马克:就结构而言，我们的身体和器官中也有类似的血管，它们开始时非常大。主动脉来自心脏，然后它分裂，再分裂，就剩下了所谓的小动脉。然后小动脉变成了毛细血管。然后毛细血管重新连接形成静脉，然后是更大的静脉。所以我们可以用3D打印机复制这种血管的分层排列，不一定是毛细血管的分辨率，但肯定是这些分支的分层网络。

马克:这对移植很重要。如果外科医生想要将组织连接到病人身上，他们不希望有一百根不同的管子需要缝合才能连接到组织上。他们想要一个单一的入口，然后分开，你知道，然后喂养整个组织，然后一个单一的出口，他们可以直接进入。

马克:我想说，我们的方法的优势在于这些正在开发的类器官，它们真的利用了生物学的自然能力来自己制造复杂的结构。产生你在器官中看到的那种模式的指令，当然是在我们的DNA中。类器官协议，他们利用这一点来形成这些组织，这些组织可以展示出令人惊讶的复杂结构，可以自我组装。它们基本上是免费自行开发的。因为在最小的尺度上，我们已经在类器官中有了所有这些结构，如果我们现在可以把成千上万的类器官组合成一个更大的组织，我们可以让它存活，我们希望通过3D打印，我们能得到保持它存活所必需的大规模结构和血管系统，但是通过发育生物学和干细胞衍生的类器官已经有了所有的微观结构，我们也得到了小规模的结构。

另一个在移植需求方面排名靠前的器官是肝脏。下面是菲尔·桑索姆快速介绍的火灾科学…

为什么你可能需要肝移植?这是治疗慢性肝病的最后一搏，比如长期酗酒引起的肝硬化，或者是过量服用扑热息痛等药物和某些肝炎病毒感染引起的急性肝损伤。无论哪种方式，这都是一种更常见的移植形式。去年，全球共有25000家这样的公司，它们总体上都很成功。大多数人最终能够恢复正常的活动，但可能需要一年或更长时间才能完全恢复，像其他移植一样，你需要服用免疫抑制剂来阻止你的身体在你的余生中攻击新肝脏。

来自爱丁堡大学的大卫·海将实验室培养的肝细胞植入患有严重肝脏疾病的老鼠体内，这些老鼠由于身体无法处理酪氨酸而患有严重的肝脏疾病，此后他们停止了药物治疗，免疫系统完好。大卫向亚当·墨菲讲述了他的工作，首先解释了为什么这些老鼠需要新的肝脏……

大卫:所以这些老鼠需要新的肝脏，因为正如你所说，它们不能完全处理氨基酸酪氨酸，这会导致有毒物质的积累，损害老鼠的许多不同器官。所以我们所做的就是用这个作为测试模型来评估我们的肝脏组织有多好，我们在实验室里生产的，在老鼠体内的环境中。我们所做的是，我们把这个组织植入老鼠的皮肤下面。这是一块与宿主肝脏不同的肝脏组织，在我们的实验过程中，当老鼠的药物被移除至少14天时，它能够支持老鼠，这证明了这是一种可行的方法来支持哺乳动物的肝功能衰竭。

亚当-你一开始是怎么得到这个肝组织来植入的?

大卫:我们所做的是和爱丁堡的工程师一起工作我们一直在使用一种无纺布，把我们的肝球和这种织物的顶部放在老鼠的皮肤下面，这是一个非常简单的过程，把组织放在皮肤下面，然后这个组织变得血管化了。所以它与受体循环相连。我们在这些实验中看到的是氨基酸酪氨酸现在可以在没有药物的情况下加工-真正的加工，所以它对个人没有毒性。

亚当:这对肝脏有问题的人来说意味着什么呢?

大卫:这就是我们现在正在努力发展的，通过这项工作向临床发展，因为我们正在努力制造肝脏植入物，当病人的肝脏衰竭时，我们可以给他们提供支持。这可能是有潜在肝脏疾病的人有一段时间的失代偿期肝脏的功能没有达到与健康状况相符的水平。所以我们想做的就是把它作为我们的试验台，来评估这项技术有多好。使用安全吗?它有效吗?对于那些没有其他治疗选择的患者来说，它会有什么不同吗?

亚当-那你要怎么做呢?你怎么把一个能在老鼠身上的小东西缩小成能在人身上穿的东西呢?

大卫:这是一个非常好的问题，也是我们目前关注的问题。所以我们已经完成了我们的基本原型，现在我们进入了下一个阶段，我们已经实现了半自动化，并扩大了肝组织的数量，我们可以从干细胞中生产，使用我们在爱丁堡中心的机器人装置。我们的想法是生产出大量的组织，然后我们可以在人类的环境中使用，但也可以用这个组织来模拟肝脏疾病的不同方面。也许可以改变药物的用途，或者测试药物的安全性。因此，这种技术有很多不同的应用，大规模的工作是至关重要的。

Chris- Dave，我能问你一个问题吗，我很想知道，当你做这些微型肝脏的时候，它们真的再现了肝脏的解剖结构吗?因为如果我拿一块肝脏放在显微镜下观察它和你的肝脏，它们看起来会一样吗?

大卫:这是个好问题。它们看起来不一样。所以我们正在做的是制造三维球体我们有肝细胞在那里，所以肝脏的主要细胞类型被称为假设执行大部分功能还有内皮细胞，它形成血管。我们所能做的就是在菜肴的早期阶段把它们混合在一起。然后它们自我组装成这些三维结构。所以虽然我们概括了肝脏的某些方面，但我们目前还不能完全概括肝脏的结构。这就是我们和我们的工程同事一起研究的东西，如果你愿意的话，提供一个模板来指导培养皿中的组织形成。

亚当:所以即使它看起来不像一个完整的肝脏，它仍然可以帮助这些老鼠。

大卫:没错。重要的是，它能快速连接宿主血液循环，如果我们要从异位部位提供肝脏支持，这是必不可少的。