南極熊專(zhuān)題：3D打印心臟離植入人體越來(lái)越近了

3D打印心臟可謂是萬(wàn)眾矚目的熱門(mén)話(huà)題，因?yàn)檫@與每個(gè)人都息息相關(guān)，南極熊也時(shí)刻關(guān)注著這項(xiàng)技術(shù)的最新進(jìn)展。近幾年，雖然3D打印的心臟還未實(shí)現(xiàn)移植到人體內(nèi)，但也取得了不錯(cuò)的進(jìn)展，本文南極熊將會(huì)帶您去了解3D打印心臟的最新前沿。

2019年8月1日，外媒報(bào)道，賓夕法尼亞州卡內(nèi)基梅隆大學(xué)（CMU）的科學(xué)家們利用3D生物打印機(jī)，成功地用膠原蛋白制造出可正常工作的心臟組織。他們說(shuō)，這項(xiàng)突破性技術(shù)有朝一日可以制造出完整的器官。

△采用膠原蛋白和FRESH技術(shù)3D打印的心臟瓣膜

他們將這項(xiàng)研究成果發(fā)表在“科學(xué)”雜志上，其中最重要的是他們開(kāi)發(fā)了一種新的懸浮水凝膠自由可逆嵌入（Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels，F(xiàn)RESH）技術(shù)，可以3D打印膠原蛋白，用于小血管，瓣膜和心室搏動(dòng)。

科學(xué)家們提出了一種3D生物打印膠原蛋白的方法，使用懸浮水凝膠（FRESH）的自由形式可逆嵌入來(lái)設(shè)計(jì)從毛細(xì)血管到整個(gè)器官的各種尺度的人類(lèi)心臟組件�？刂苝H驅(qū)動(dòng)的凝膠化可以實(shí)現(xiàn)20微米的分辨率，多孔微結(jié)構(gòu)能夠快速細(xì)胞浸潤(rùn)和微血管化，以及制造和灌注多尺度脈管系統(tǒng)和三葉瓣膜。他們發(fā)現(xiàn)FRESH 3D生物打印的心臟準(zhǔn)確地再現(xiàn)了由微型計(jì)算機(jī)斷層掃描確定的患者特異性解剖結(jié)構(gòu)。

據(jù)悉，他們采用的這種方法，以迄今所能達(dá)到的最高精度，使用人體內(nèi)最豐富的蛋白，復(fù)制出了復(fù)雜的人體生物支架。隨后，這些結(jié)構(gòu)可以嵌入活體細(xì)胞和毛細(xì)血管，其精細(xì)度可達(dá)20微米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于大多數(shù)用于制造塑料結(jié)構(gòu)的3D打印機(jī)。

論文作者之一、美國(guó)卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程教授亞當(dāng)·范伯格對(duì)法新社記者說(shuō)：“我們已經(jīng)證明，我們可以用膠原蛋白打印出心臟瓣膜�！�

范伯格說(shuō)：“雖然我們還沒(méi)有把它置入動(dòng)物體內(nèi)，但我們建造了一個(gè)模擬人體壓力和流速的測(cè)試臺(tái)，并且我們證明，它被放入后能正常工作�！�

報(bào)道稱(chēng)，該研究小組使用磁共振成像技術(shù)對(duì)人類(lèi)心臟進(jìn)行掃描，來(lái)復(fù)制患者的特定心臟部位，他們已取得了心跳同步和瓣膜開(kāi)閉等成果。

△使用FRESH v2.0版技術(shù)進(jìn)行膠原蛋白的高分辨率3D生物打印

△可灌注膠原血管和微孔膠原支架的FRESH 3D生物打印，促進(jìn)體內(nèi)微血管化。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這項(xiàng)技術(shù)將來(lái)有可能被用于打印心臟或其他器官。美國(guó)有4000人正在等待心臟移植，而且全世界還有數(shù)百萬(wàn)人需要進(jìn)行心臟移植。

報(bào)道認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)面臨的挑戰(zhàn)包括，生成生物打印大型組織所需的數(shù)十億個(gè)細(xì)胞，達(dá)到制造規(guī)模并遵守監(jiān)管程序，以便在動(dòng)物以及最終在人類(lèi)身上進(jìn)行試驗(yàn)。

△收縮性FRESH 3D生物打印的人心室模型

在動(dòng)物試驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)將3D打印對(duì)象植入小鼠皮下，結(jié)果顯示其能夠生成完整的血管網(wǎng)。

研究團(tuán)隊(duì)還通過(guò)這一技術(shù)打印出了具有收縮能力的左心室和能夠承載生理壓力的三尖瓣，這表明膠原結(jié)構(gòu)在人體中的機(jī)械完整性。他們通過(guò)灌注，驗(yàn)證了血管網(wǎng)的暢通性。最后研究團(tuán)隊(duì)打印出新生兒比例的人體心臟膠原模型，由此證明 FRESH打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)“大型”結(jié)構(gòu)能力。

△三葉心臟瓣膜，多尺度脈管系統(tǒng)和新生兒人體心臟的器官尺度FRESH 3D生物打印

論文：膠原蛋白3D打印活動(dòng)心臟.pdf (1.77 MB, 下載次數(shù): 157)

2019-8-8 14:32 上傳

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3D打印心臟的進(jìn)展

在此之前，南極熊也曾報(bào)道過(guò)多個(gè)3D打印心臟方面的進(jìn)展，2019年4月16日，以色列科學(xué)家有史以來(lái)第一次創(chuàng)造了一種血管化的人類(lèi)心臟——使用3D打印機(jī)將患者的人體組織結(jié)合起來(lái)。

特拉維夫大學(xué)的一個(gè)研究小組揭示了3D打印的心臟，它完全符合人類(lèi)患者的免疫、細(xì)胞、生化和解剖學(xué)特性。研究的首席作者、特拉維夫大學(xué)分子細(xì)胞生物學(xué)和生物技術(shù)學(xué)院的Tal Dvir教授稱(chēng)：“這是世界上首次有人成功通過(guò)工程學(xué)設(shè)計(jì)，打造出具有細(xì)胞、血管、心室的完整心臟。

央視財(cái)經(jīng)頻道也報(bào)道了“3D打印心臟技術(shù)獲突破：細(xì)胞和血管一應(yīng)俱全”

3D打印活體心臟過(guò)程：
從患者的脂肪組織中分離出細(xì)胞和α-細(xì)胞材料；
脂肪細(xì)胞被轉(zhuǎn)化為胚胎干細(xì)胞；
胚胎干細(xì)胞分化為心臟或內(nèi)皮細(xì)胞等細(xì)胞類(lèi)型；
使用膠原蛋白和糖蛋白等材料，制作水凝膠，3D打印出可降解的生物支架或骨架上，這個(gè)支架像心臟的形狀；
把分化好的細(xì)胞，培養(yǎng)進(jìn)入支架相應(yīng)的部位，變成一個(gè)生物心臟；
3D打印過(guò)程大約需要3-4個(gè)小時(shí)。


在研究中，科學(xué)家們從患者身上采集了脂肪組織，并且將其中的細(xì)胞和非細(xì)胞物質(zhì)分離開(kāi)來(lái)。分離出的細(xì)胞隨后與特制的打印材料混合到一起打印出適合患者的心臟組織。Dvir博士稱(chēng)：“這種心臟是由人類(lèi)細(xì)胞和為患者特制的生物學(xué)材料打造而成的。在打印過(guò)程中，這些生物學(xué)材料充當(dāng)?shù)氖且环N生物墨水，這些由糖和蛋白質(zhì)構(gòu)成的材料能夠用于3D打印復(fù)雜的組織模型�！�

△TAU的生物3D打印工藝和使用該技術(shù)制造的其他樣品結(jié)構(gòu)

△3D打印的微型心臟模型結(jié)構(gòu)

TAU生產(chǎn)的3D打印心臟大小適合兔子。它需要在生物反應(yīng)器中經(jīng)歷成熟過(guò)程以保持細(xì)胞存活并使其生長(zhǎng)以適應(yīng)真人大小的心臟。成熟過(guò)程需要大約一個(gè)月，之后他們將它們移植到動(dòng)物如兔子和大鼠中進(jìn)行測(cè)試。他們希望這將在一兩年內(nèi)實(shí)現(xiàn)。 Dvir說(shuō)，希望在“10年內(nèi)，世界上最好的醫(yī)院將有器官打印機(jī)，這些程序?qū)⒍ㄆ谶M(jìn)行�！�


2017年7月14日，蘇黎世瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的功能材料實(shí)驗(yàn)室研究人員，已經(jīng)使用3D打印來(lái)創(chuàng)建一個(gè)幾乎像真實(shí)心臟一樣跳動(dòng)的硅膠心臟。這個(gè)人造心臟持續(xù)了約3,000次搏動(dòng)，大概30至45分鐘。

2018年6月28日，生物3D打印和組織工程公司BIOLIFE4D，司宣布已成功展示其3D打印的人體心臟組織，而且該公司表示已經(jīng)具備3D打印人類(lèi)心臟貼片的能力，該公司下一步將會(huì)朝著3D打印人類(lèi)心臟繼續(xù)進(jìn)發(fā)。

BIOLIFE4D的3D生物打印首先要采集患者的血液樣本。因?yàn)槿梭w內(nèi)的每個(gè)細(xì)胞都有相同數(shù)量的基因和相同的DNA，每個(gè)細(xì)胞都有可能轉(zhuǎn)化為基本上任何其他細(xì)胞。
第二步，將樣品中的血細(xì)胞轉(zhuǎn)化為非特化成體誘導(dǎo)的多能干細(xì)胞（iPS）。

通過(guò)分化，iPS細(xì)胞轉(zhuǎn)化為人體中幾乎任何類(lèi)型的特化細(xì)胞，本案例中是心肌細(xì)胞（心臟細(xì)胞）。 然后將這些細(xì)胞與液體環(huán)境（水凝膠）中的營(yíng)養(yǎng)素和其他必需因素結(jié)合起來(lái)，以保持細(xì)胞在整個(gè)過(guò)程中存活。

然后將這種生物墨水裝入生物3D打印機(jī)進(jìn)行打印，這是一種高度專(zhuān)業(yè)化的3D打印機(jī)，可以保護(hù)打印過(guò)程中的細(xì)胞活性。

BIOLIFE4D的生物3D打印過(guò)程提供了將患者自身血細(xì)胞重新編程為iPS細(xì)胞的能力，然后將這些iPS細(xì)胞分化成不同類(lèi)型的心臟細(xì)胞，這些心臟細(xì)胞不僅可以用于心臟貼片，而且最終有可能成為用于移植的人類(lèi)心臟。

這種能力至關(guān)重要，因?yàn)锽IOLIFE4D試圖治療心臟病和其他心臟損傷，特別是通過(guò)消除對(duì)供體器官的需求來(lái)改善移植過(guò)程。

BIOLIFE4D首席執(zhí)行官史蒂文莫里斯表示：“從一開(kāi)始我們的使命就是利用我們的技術(shù)拯救生命。 今天，我們相信我們離最終實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)更近了一步�！�

專(zhuān)業(yè)人士可閱讀《科學(xué)》原文：https://science.sciencemag.org/content/365/6452/482


參考來(lái)源：
《science》、3dprintingindustry、參考消息、3D科學(xué)谷