3D生物打印心臟組織的新進(jìn)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(xué)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(jìn)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(wù)，因此還有很長的路要走。患者的通常生存率通常在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(xiàng)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(jìn)行生物打印的邏輯和系統(tǒng)過程”。盡管醫(yī)學(xué)界充滿了進(jìn)步的工具，治療方法和設(shè)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(shù)比組織工程技術(shù)更有希望了。由于具有產(chǎn)生由“生物和人工構(gòu)造”組成的生物預(yù)制心臟的潛力，可以通過模塊化部件輕松實(shí)現(xiàn)整個(gè)心臟的出現(xiàn)。

組織工程的定義-組織工程的基礎(chǔ)是細(xì)胞，生物材料和生物反應(yīng)器。細(xì)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(xì)胞外基質(zhì)并提供結(jié)構(gòu)支持。生物反應(yīng)器是為3D組織/器官發(fā)育和成熟提供生理線索的定制設(shè)備。電刺激由平行電極傳遞，而單軸拉伸（如單箭頭所示）設(shè)計(jì)為應(yīng)用生物工程組織的循環(huán)運(yùn)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(gè)生物人工心臟進(jìn)行生物工程改造的能力，都在改變心臟疾病患者的護(hù)理標(biāo)準(zhǔn)方面得到了應(yīng)用。”“取決于患者的嚴(yán)重程度、心臟補(bǔ)丁可能足以增強(qiáng)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(xì)胞的空間調(diào)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(qiáng)大功能的地方，它使我們能夠以非常特定的模式準(zhǔn)確定位不同的細(xì)胞類型，從而可以嚴(yán)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(lǐng)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(fù)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(chǎn)生腔內(nèi)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(gè)腔室、四個(gè)瓣膜、心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)、收縮性心肌細(xì)胞和復(fù)雜的脈管系統(tǒng)組成。四個(gè)腔室分別是左、右心室和主動脈，而四個(gè)瓣膜是主動脈瓣和二尖瓣以及肺和三尖瓣。心臟傳導(dǎo)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(xì)胞是負(fù)責(zé)心肌收縮的細(xì)胞。

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

這組作者說：“基于目前整個(gè)心臟生物工程技術(shù)的最新水平，我們可以肯定地說，盡管我們不能為實(shí)現(xiàn)這一命運(yùn)指定具體的時(shí)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(jìn)一步研究。

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

3D生物打印人類心臟的科學(xué)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(xué)家們在這種鍛煉中實(shí)現(xiàn)的幻想更少，而更多的是現(xiàn)實(shí)。

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

對心臟進(jìn)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(jié)構(gòu)的構(gòu)建
· 心臟傳導(dǎo)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(jié)說：“該領(lǐng)域需要克服的最重要的挑戰(zhàn)，通常是干擾心臟干細(xì)胞治療領(lǐng)域的挑戰(zhàn)，是重新編程的心肌細(xì)胞的不成熟�！薄� iPS細(xì)胞向心肌細(xì)胞的轉(zhuǎn)化現(xiàn)在是標(biāo)準(zhǔn)且可重現(xiàn)的，分化的細(xì)胞類似于胚胎表型，將這些細(xì)胞驅(qū)動為成年表型仍然是心臟干細(xì)胞治療領(lǐng)域的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

“一旦由獨(dú)立研究實(shí)驗(yàn)室復(fù)制，再加上可用于機(jī)電刺激的商業(yè)生物反應(yīng)器、成熟心肌細(xì)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。”從心臟斑塊和細(xì)胞化的心臟到心臟瓣膜的形成，生物印記如今已被廣泛應(yīng)用，最終形成了細(xì)胞培養(yǎng)的整體轉(zhuǎn)化。