继第一颗3D打印心脏问世后 现在怎么样了?

记得大概在去年4月份的时候,特拉维夫大学的研究员使用患者自己的细胞和生物材料成功“打印“了世界上第一颗3D血管化心脏,也是第一次有人设计并打印充满细胞、血管以及心室的完整心脏。时隔一年,现在全球3D打印心脏又发展到何种程度了呢?

与其他脏器不同,心脏因其体积大、细胞种类繁多且需要自主跳动,才能具有功能。即便3D打印技术已经发展多年,在医疗领域例如颅颌面外科、骨科、口腔科等不乏3D打印假体植入案的今天,想要3D打印一颗匹配患者的细胞学、生物化学、解剖学特性的心脏,依旧非常困难。

3D打印心脏到底难在哪?

3D打印心脏,绝不只是把一堆细胞堆成心脏的样子那么简单。首先,我们知道心脏整齐地跳动需要心脏的细胞间有紧密的联系,而地球重力的存在,直接或间接地导致这一切条件都无法实现。由于心脏不能整齐地跳动,导致3D打印出来的心脏不能泵血。

不仅如此,与其他3D打印普遍使用的激光或热不同,由于生物3D打印使用的是细胞,为了保证细胞的活性,就不能有光和热。生物3D打印根据不同的细胞生长环境,需要设置打印的参数,精确地控制生物材料中细胞的密度、生长因子在整体3D结构中的位置及相关作用,才能使打印出的组织具有生物活性。

继第一颗3D打印心脏问世后 现在怎么样了?

加之心脏比一般的器官更为复杂–会跳动。心肌细胞被紧密地连在一起,细胞产生的电信号会使大批心肌细胞共同收缩,为了协调两个心房和两个心室的协同收缩,心脏本身还有一套特殊的传导系统。尽管在体外生产几千万个心肌细胞并不难,可即便心脏被3D打印出来,能不能跳是一回事,怎么跳则是另外一回事。

就临床病症来说,心室纤颤就是因为心肌细胞不能同步跳,一旦失去“同步”,各个细胞此起彼伏地乱跳就会让心脏在瞬间失去泵血功能,导致患者死亡。因此,如果要实现心脏的泵血功能,心脏必须非常整齐地跳动。

打印出来的心脏能不能整齐地跳动,其实与地球重力有关。3D打印的黏附力不足以支撑心脏或肾脏这种大器官,在重力的影响下会造成细胞间的撕裂。因此,生物3D打印的核心问题在于如何解决生物材料和地球重力对3D打印细胞的影响。

全球3D打印心脏到达何种程度了?

尽管目前尚未有成功移植完整3D生物打印心脏的案例,但并不影响生物医药公司和科研小组向功能齐全的3D打印心脏迈进。这里我们也为各位整理了一些最近比较前途无量的3D打印心脏项目。

特拉维夫大学的微型心脏

特拉维夫大学,我们在开篇提到过,其分子细胞生物学与生物技术学院成功制作全球首颗有细胞,有血管,也有其他支撑结构,甚至像心脏一样可以收缩3D打印心脏。尽管这颗心脏的长度只有2.5厘米,但却是第一次使用人类细胞对完全血管化的3D打印人心脏,向功能性人体器官生物打印迈出关键一步。

继第一颗3D打印心脏问世后 现在怎么样了?

其技术原理是,从实验者的脂肪组织中提取人类细胞,然后将其改造成干细胞,再将细胞分化为心脏中各种类型的心脏细胞,这些新的“心脏”细胞与无机材料混合,制成生物墨水,最终进行3D打印。

继第一颗3D打印心脏问世后 现在怎么样了?

由于使用的是患者自己的细胞,因此可以完全消除排斥新生物工程器官。要知道,排斥反应是器官移植中的一个主要问题,很多接受心脏移植手术的患者在手术后的第一年内就会出现排异症状。有了此次的成功,研究团队的下一个挑战是使这些分化的细胞成熟并使其发挥预期功能,并希望在10年内,世界上最好的医院将配备器官3D打印机,并且可以正常为病人提供服务。

WFIRM的生物工程心脏组织

WFIRM的主管Anthony Atala博士在3D生物打印领域非常有名。几年前,他的团队进行了工程设计并将膀胱移植到了活着的患者中。截至目前,该研究所已经开发了30多种不同的组织和器官。

2018年4月,WFIRM团队发表过一篇论文,描述了团队使用大鼠心脏细胞3D生物打印功能性和收缩性心脏组织。这些细胞被悬浮在生物墨水中,并被打印成类似于人类心脏组织的结构,并且能够测试肾上腺素和卡巴胆碱等激素的作用,就像在生物体中一样,这会导致打印的心脏组织中的心率发生预期的变化。

继第一颗3D打印心脏问世后 现在怎么样了?

在今年年初的时候,WFIRM宣布创建一个微型人体 “模型”,包含不同的生物工程人体组织,将专门用于药物测试。微小的类器官结构大约是成年人大小的百万分之一,并且包括微型心脏组织。Atala博士表示,微型人体实验室模型一个最重要的功能是,在开发的早期就确定一种药物是否对人类有毒,这对实验药物测试产生了巨大影响。

Biolife4D微型心脏

Biolife4D公司的总部位于芝加哥,其目标旨在利用生物工程和3D打印技术,制造能够移植的人类心脏。在2018年,他们成功地展示了人类心脏组织补丁的生物印记,这意味着组织具有血流并且可以像真正的心脏一样收缩。这些心脏组织贴片可用于恢复急性心力衰竭患者的受损心脏部分。

为了生产这些补丁,他们通过MRI机器获取患者心脏的3D数字模型后,使用患者自己的心脏细胞,结合营养物质和其他生物材料创建生物墨水。最后,组织补丁经过3D打印并在生物反应器中成熟,直到可以移植。

继第一颗3D打印心脏问世后 现在怎么样了?

去年9月,公司还宣布了另一个重大突破,即迷你心形3D打印机,由具有人类心脏特性的生物墨水制成,复制了人类心脏的许多特征。Biolife4D还改进了其生物打印算法,专门针对心脏3D打印进行了优化。Biolife4D表示,有了这个新的里程碑,只需优化工艺并扩大技术范围即可实现“成功移植的全尺寸、3D打印功能性心脏“这一最终目标。

ETH&SAT的人工心脏瓣膜

2017年的时候,瑞士科技大学ETH Zurich的一组研究人员发表了一篇论文,描述了自己用有机硅3D打印的功能性跳动心脏,且不论大小还是功能,都与人类心脏大致相同,它们的工作证明了我们正在迅速地实现无需移植就可以替代心脏的能力。

继第一颗3D打印心脏问世后 现在怎么样了?

这种硅胶打印体具有左右心室以及通过压缩空气驱动泵送动作的腔室,主要限制是3D打印的心脏只能持续大约30分钟或3000拍,然后材料会降解和减弱。到了2019年,研究小组与南非公司Strait Access Technologies合作开发了人造3D打印心脏瓣膜,能够替代真实患者中的渗漏或损坏的瓣膜。这些部件以与身体兼容的材料进行3D打印,并提供与常规更换阀相同的血流功能。

对于已经有用于移植的人造心脏瓣膜成功案例,ETH&SAT开发的人造心脏瓣膜的可以针对每个患者量身定制。得益于MRI和CT成像,每个阀门都可以专门设计以实现完美的配合。

实际上,每年都有大批的患者在等待心脏移植的过程中,不幸去世。即便成功移植,也会在术后的几年内,出现排异反应,引发术后综合征,而这些都是我们研究3D打印心脏的意义所在,拯救更多的患者,同时攻克器官移植排异难题。

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