最新研究：生物3D打印的人類心臟實(shí)現(xiàn)泵血功能！
2019年4月，以色列特拉維夫大學(xué)研究人員宣布，他們用人類的脂肪組織，通過3D打印技術(shù)制作出了一顆“人造心臟”，雖然只是一個(gè)微縮版的原型，卻是人類“首次成功設(shè)計(jì)并打印出一個(gè)具有細(xì)胞、血管、心室和心房的完整心臟”。當(dāng)時(shí)這顆心臟可以收縮 ，但無法像正常心臟一般搏動(dòng)泵血。
3D 打印的微型心臟
而近日，來自明尼蘇達(dá)大學(xué)的研究人員在相同研究方面取得了重大進(jìn)展，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新型生物墨水，并使用3D打印技術(shù)創(chuàng)建出了具有腔室、心室和血管結(jié)構(gòu)的心臟。在體外培養(yǎng)了60天之后，該結(jié)構(gòu)具備泵血功能。相關(guān)成果以封面文章的形式發(fā)表于Circulation Research。本期，我們介紹該研究的主要內(nèi)容。
3D打印功能性心臟的難點(diǎn)
雖然越來越多的研究已經(jīng)證明能夠使用生物材料3D打印整個(gè)心臟，但這些打印出來的構(gòu)造要么缺乏必要的生物細(xì)胞，要么缺乏機(jī)電功能，因而無法實(shí)現(xiàn)真實(shí)的心臟機(jī)電反饋（心肌機(jī)械變化引發(fā)的電生理變化）。這是因?yàn)槌墒斓男募〖?xì)胞一般不易增殖或遷移，其在體外的構(gòu)建過程存在巨大挑戰(zhàn)，研究人員難以獲得所需的高細(xì)胞密度。明尼蘇達(dá)大學(xué)的研究小組希望使用具有高度增殖能力的干細(xì)胞，在原位誘導(dǎo)心肌細(xì)胞分化，從而為心臟功能定制組織。
3D打印心臟原理示意圖
為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，該團(tuán)隊(duì)需要開發(fā)一種生物墨水，其配方將能夠提高細(xì)胞活力，促進(jìn)多能干細(xì)胞增殖并分化為心肌細(xì)胞。最終，研究人員通過優(yōu)化配方實(shí)現(xiàn)了對(duì)心肌細(xì)胞的分化，并創(chuàng)造了一種新型的生物墨水，不僅可以在空間上準(zhǔn)確沉積，而且在打印過程中不需要任何支撐結(jié)構(gòu)，該墨水最終將降解以提供細(xì)胞增殖的空間。
構(gòu)建心臟結(jié)構(gòu)并驗(yàn)證打印的準(zhǔn)確性
研究團(tuán)隊(duì)首先打印了帶有兩個(gè)腔室以及一個(gè)血管入口和出口的干細(xì)胞負(fù)載主動(dòng)脈結(jié)構(gòu)，在細(xì)胞繁殖到足夠的密度后，研究小組開始對(duì)細(xì)胞進(jìn)行分化，賦予它們?cè)谛呐K中不同的作用。為了保證細(xì)胞存活，營養(yǎng)物質(zhì)并不可少，研究發(fā)現(xiàn)該打印結(jié)構(gòu)具備彈性和功能性。
3D打印心臟的構(gòu)建過程，下圖顯示了打印的準(zhǔn)確性
為了測試創(chuàng)建的準(zhǔn)確性，研究團(tuán)隊(duì)使用磁共振成像掃描對(duì)打印的主動(dòng)脈結(jié)構(gòu)與3D數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。發(fā)現(xiàn)有86％的打印結(jié)構(gòu)控制在0.5mm的誤差范圍內(nèi)，橫截面對(duì)比發(fā)現(xiàn)內(nèi)部腔室具有很高的保真度。14天后，90%的生物墨水被單個(gè)和大型菌落細(xì)胞填充，到6周后，觀察到非常有限的細(xì)胞死亡，這表明3D打印的主動(dòng)脈結(jié)構(gòu)具有比較穩(wěn)定的狀況。
生物打印后24天內(nèi)細(xì)胞增殖的演變過程
檢測3D打印心臟的泵血功能
3D打印心臟結(jié)構(gòu)的目的是希望它能夠泵血或“跳動(dòng)”。為了確定整個(gè)血管中機(jī)電功能的保存程度，研究人員對(duì)其進(jìn)行了檢測，在心臟表面檢測到的動(dòng)作電位反映了研究人員對(duì)改變起搏頻率和藥物刺激的預(yù)期反應(yīng)。
3D打印的人類心臟具備泵血功能
最終，明尼蘇達(dá)大學(xué)的研究小組得出結(jié)論，他們采用3D打印制造的人工心臟具有強(qiáng)健的機(jī)電反饋功能，而且其腔室、心室和細(xì)胞壁厚度比先前打印的都要高，這使得心臟的泵血功能更為強(qiáng)大。
采用相同方法構(gòu)建的宏觀人類心臟為未來在多個(gè)尺度用于藥物測試提供了可能，同時(shí)它將極大推動(dòng)臨床心臟病學(xué)的發(fā)展，使研究更接近于臨床移植，同時(shí)，這一進(jìn)展也代表了在構(gòu)建大尺度組織方面邁出的關(guān)鍵一步。
END
組織工程學(xué)的目標(biāo)之一是能夠在體外創(chuàng)建組織或器官來維持人體的正常生理機(jī)能，3D打印為這項(xiàng)工程提供了一種方法。近年來，生物3D打印已用于創(chuàng)建一系列人體組織或器官，通常用于測試和研究，而非直接移植。去年以色列特拉維夫大學(xué)3D打印的整枚心臟，為探索創(chuàng)建高逼真度和針對(duì)特定患者的組織進(jìn)行3D打印的可能性開創(chuàng)了研究先河。而本文的研究，則為組織器官功能性的實(shí)現(xiàn)提出了一種方法。
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