哈佛研究所开发 3D 打印心脏技术,打印出的心脏细丝自己还能长

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06-09 20:44

在 2020 年 12 月世界卫生组织公布的《2019 年全球健康评估报告》里,在过去 20 年来,心脏病一直是全球首要死因,且心脏病死亡人数比以往任何时候都多。自 2000 年以来,心脏病死亡人数增加了 200 多万,2019 年增至近 900 万。

▲图片来自:The Guardian Nigeria

其中有许多病情严重的患者需要进行心脏移植手术,然而这个等待总是太长,等六个月以上甚至生命时长耗尽前都没能等到的情况也并不少见。由此可见,我们需要更有效的心脏组织替代方案。

2017 年,苏黎世联邦理工学院的一个研究团队利用 3D 打印技术打造了一种人造硅胶心脏,它能像人体内的器官一样跳动,但当时的测试结果显示它能维持的使用时间只有 30 到 45 分钟。

▲图片来自:ETH Zürich

2019 年,以色列特拉维夫大学的研究人员成功地打印出首个使用患者细胞和生物材料的 3D 心脏。这虽然是个包括血管和心室等部分的构造完整的心脏,但它只有兔子心脏的大小。

▲图片来自:Tel Aviv University

心脏本身的再生能力就有限,这些人造心脏虽然有一定的成果,但并不能模拟心肌的高度结构化的结构和复杂功能,对恢复心脏功能的作用自然也就有限。

如今,哈佛大学 Wyss 生物启发工程研究所和哈佛大学工程与应用科学学院 (SEAS) 的 Jennifer Lewis 团队一起开发了一套新的心脏工程技术。

▲ 图片来自:Wyss Institute

这种方案是 Wyss 现有的 SWIFT 生物打印技术的改进,建立在 3D 生物打印平台之上。研究人员开发的平台有 1050 个单独的孔,每个孔包含两个微柱。

利用人工诱导多能干细胞衍生心肌细胞(hiPSCs-CMs)形成预组装心脏器官构件(OBB),然后将 OBB 从微柱上取下并用作制造致密生物墨水的原料,并在打印过程中利用 3D 打印机头的运动进行进一步的对齐。

▲图片来自:Wyss Institute

经过试验后,研究人员能够打印复杂和排列多变的对齐心脏组织片,这些薄片的组织和功能类似于实际的人类心肌层。

为了测试打印的心脏结构的收缩特征,研究人员还打印了连接两个大柱的「大长丝」,测量后发现长丝产生的收缩力和收缩速度在 7 天内有所增加,这表明心脏细丝会不断成熟为真正的肌肉状细丝。

▲图片来自:Wyss Institute

这也就意味着,这种技术可以有效地模拟心脏收缩系统在其整个层次结构中的排列,从单个细胞到由多层组成的较厚的心脏组织,对于生成用于替代治疗的功能性心脏组织至关重要,也可用于生成更多生理疾病模型。

未来借助这项技术,也许可以制造高度结构化的心肌贴片,匹配不同患者心脏病发的特定部位。比如可以用定制的方式来修补患有先天性心脏缺陷的新生儿心脏中患者的特定「漏洞」,而且这些贴片可以随孩子一起发育,而不必随着孩子的成长而更换。

▲图片来自:Wyss Institute

虽然在实现 3D 打印功能齐全的完整心脏之前还有很长的路要走,但这项技术的产生已经是作用极大的进步,也许距离摆脱「医心」难的那天并不远。

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