最新研究：生物3D打印的人類心臟實現(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”，雖然只是一個微縮版的原型，卻是人類“首次成功設(shè)計并打印出一個具有細胞、血管、心室和心房的完整心臟”。當(dāng)時這顆心臟可以收縮 ，但無法像正常心臟一般搏動泵血。
3D 打印的微型心臟
而近日，來自明尼蘇達大學(xué)的研究人員在相同研究方面取得了重大進展，該團隊開發(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
雖然越來越多的研究已經(jīng)證明能夠使用生物材料3D打印整個心臟，但這些打印出來的構(gòu)造要么缺乏必要的生物細胞，要么缺乏機電功能，因而無法實現(xiàn)真實的心臟機電反饋（心肌機械變化引發(fā)的電生理變化）。這是因為成熟的心肌細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胞密度。明尼蘇達大學(xué)的研究小組希望使用具有高度增殖能力的干細胞，在原位誘導(dǎo)心肌細胞分化，從而為心臟功能定制組織。
3D打印心臟原理示意圖
為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，該團隊需要開發(fā)一種生物墨水，其配方將能夠提高細胞活力，促進多能干細胞增殖并分化為心肌細胞。最終，研究人員通過優(yōu)化配方實現(xiàn)了對心肌細胞的分化，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胞增殖的空間。
構(gòu)建心臟結(jié)構(gòu)并驗證打印的準(zhǔn)確性
研究團隊首先打印了帶有兩個腔室以及一個血管入口和出口的干細胞負(fù)載主動脈結(jié)構(gòu)，在細胞繁殖到足夠的密度后，研究小組開始對細胞進行分化，賦予它們在心臟中不同的作用。為了保證細胞存活，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，研究團隊使用磁共振成像掃描對打印的主動脈結(jié)構(gòu)與3D數(shù)據(jù)進行了比較。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%的生物墨水被單個和大型菌落細胞填充，到6周后，觀察到非常有限的細胞死亡，這表明3D打印的主動脈結(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”。為了確定整個血管中機電功能的保存程度，研究人員對其進行了檢測，在心臟表面檢測到的動作電位反映了研究人員對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健的機電反饋功能，而且其腔室、心室和細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大。
采用相同方法構(gòu)建的宏觀人類心臟為未來在多個尺度用于藥物測試提供了可能，同時它將極大推動臨床心臟病學(xué)的發(fā)展，使研究更接近于臨床移植，同時，這一進展也代表了在構(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能，3D打印為這項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)建高逼真度和針對特定患者的組織進行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現(xiàn)提出了一種方法。
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