3D生物打印心臟組織的新進展和面對的挑戰(zhàn)

來源： 廣西增材制造協(xié)會  

在最近發(fā)表的“ 3D生物打印及其對心力衰竭治療的潛在影響：行業(yè)角度”中，作者Ravi K. Birla和Stuart K. Williams探索了心臟醫(yī)學中組織工程的潛力以及最終組裝的生物打印心臟。雖然心力衰竭通常需要進行移植，但要找到合適的供體可能具有挑戰(zhàn)性。移植一旦完成，就需要永久性的免疫抑制療法，這對患者來說是艱巨的任務，因此還有很長的路要走�；颊叩耐ǔＩ�存率通常在13歲以下。

作者說：“目前，在美國，有超過620萬心力衰竭患者，而心力衰竭在2016年的死亡率為78,356人�！�

在這項研究中，研究人員回顧了生物打印對創(chuàng)建心臟組織的挑戰(zhàn)，以及“對人類心臟進行生物打印的邏輯和系統(tǒng)過程”。盡管醫(yī)學界充滿了進步的工具，治療方法和設備，尤其是對于心臟病患者，但對于最終制造器官而言，沒有什么技術比組織工程技術更有希望了。由于具有產生由“生物和人工構造”組成的生物預制心臟的潛力，可以通過模塊化部件輕松實現(xiàn)整個心臟的出現(xiàn)。

組織工程的定義-組織工程的基礎是細胞，生物材料和生物反應器。細胞是所有組織和器官的功能元素，而生物材料旨在模擬哺乳動物的細胞外基質并提供結構支持。生物反應器是為3D組織/器官發(fā)育和成熟提供生理線索的定制設備。電刺激由平行電極傳遞，而單軸拉伸（如單箭頭所示）設計為應用生物工程組織的循環(huán)運動。

心臟組織工程包括：
· 3D打印的心臟貼片
· 生物泵
· 心室
· 閥門
· 血管
· 全面的生物人工心臟
這組作者解釋說：“對心臟或整個生物人工心臟進行生物工程改造的能力，都在改變心臟疾病患者的護理標準方面得到了應用。”“取決于患者的嚴重程度、心臟補丁可能足以增強失去的收縮功能，而在慢性心力衰竭的情況下，可能需要總的生物人工心臟。

除了細胞的空間調節(jié)外，生物打印還可以精確放置生物材料。這就是3D生物打印提供強大功能的地方，它使我們能夠以非常特定的模式準確定位不同的細胞類型，從而可以嚴格控制心臟生物工程過程�！�

心臟組織工程概述-心臟組織工程領域包括生物工程收縮3D心肌、生物脈動泵、生物工程左心室、生物人工瓣膜和血管移植物以及生物人工心臟的方法。收縮性3D心肌旨在復制哺乳動物心肌組織的特性，并且可以用作斑塊以增加心肌梗塞后左心室的壓力。脈動泵旨在產生腔內壓力，可用作生物泵。左心室可作為心臟的組成部分，或在發(fā)育不良的左心綜合征的兒科病例中代替表現(xiàn)不佳的心室。瓣膜和血管移植物可用于替代哺乳動物的瓣膜和血管，或用作生物工程心臟的組成部分。

人類心臟的主要組成部分-人類心臟由四個腔室、四個瓣膜、心臟傳導系統(tǒng)、收縮性心肌細胞和復雜的脈管系統(tǒng)組成。四個腔室分別是左、右心室和主動脈，而四個瓣膜是主動脈瓣和二尖瓣以及肺和三尖瓣。心臟傳導系統(tǒng)由SAN、AVN、His束和Purkinje纖維組成。心臟血管系統(tǒng)由較大的血管和較小的微循環(huán)組成。心肌細胞是負責心肌收縮的細胞。

迄今為止，大多數(shù)涉及對心臟組織進行生物打印的研究都表明了“對心臟進行生物打印的初步可行性”。隨著當今可用的研究和工具數(shù)量的增加，這種進步是不可避免的。

這組作者說：“基于目前整個心臟生物工程技術的最新水平，我們可以肯定地說，盡管我們不能為實現(xiàn)這一命運指定具體的時間框架，但可以將人類心臟用于臨床移植�！�

人類心臟的生物打印始于2003年組織工程的最初歷史，然后在幾年后進一步研究。

3D生物打印過程-將分離的細胞懸浮在定制的生物墨水中，然后裝入注射器中。對心臟進行生物打印所需的細胞的例子包括收縮性心肌細胞、傳導起搏器和浦肯野細胞、結構性成纖維細胞和血管平滑肌細胞以及內皮細胞。氣動壓力用于通過打印頭擠出裝有細胞的生物墨水，而逐層方法用于構建組織或器官

3D生物打印人類心臟的科學突破

在生物打印和隨后的心臟組織制造中，一直持續(xù)迅速地發(fā)展著，這使科學家們在這種鍛煉中實現(xiàn)的幻想更少，而更多的是現(xiàn)實。

對人的心臟進行生物打印的過程，患者的MRI圖像用于對心臟進行建模。從患者皮膚活檢組織中分離出皮膚成纖維細胞，并將其轉化為iPS細胞，然后轉化為心肌細胞。心肌細胞與生物墨水結合在一起，用于對患者特定的人心臟進行生物打印。生物印跡心臟在生物反應器中進行調節(jié)，并用于移植。

對心臟進行生物打印的路線圖包括：
· 微循環(huán)的3D打印
· 冠狀大血管結構的構建
· 心臟傳導系統(tǒng)的3D生物打印
· 心臟瓣膜的3D生物打印
· 心肌的3D生物打印

研究人員總結說：“該領域需要克服的最重要的挑戰(zhàn)，通常是干擾心臟干細胞治療領域的挑戰(zhàn)，是重新編程的心肌細胞的不成熟。”“ iPS細胞向心肌細胞的轉化現(xiàn)在是標準且可重現(xiàn)的，分化的細胞類似于胚胎表型，將這些細胞驅動為成年表型仍然是心臟干細胞治療領域的關鍵挑戰(zhàn)。

“一旦由獨立研究實驗室復制，再加上可用于機電刺激的商業(yè)生物反應器、成熟心肌細胞的可利用性將為3D生物打印人心臟的臨床移植提供一條清晰的途徑�！睆男呐K斑塊和細胞化的心臟到心臟瓣膜的形成，生物印記如今已被廣泛應用，最終形成了細胞培養(yǎng)的整體轉化。