研究人員利用3D打印技術成功從干細胞培育出心臟細胞

來源：前瞻網(wǎng)

所有的人類都是從單個細胞開始，經(jīng)過分裂最終形成胚胎。根據(jù)鄰近細胞發(fā)出的信號，這些分裂的細胞會發(fā)展或分化成特定的組織或器官。在再生醫(yī)學中，在實驗室中控制干細胞的分化是至關重要的，因為干細胞可以分化為體外器官的生長，并替代受損的成年細胞，特別是那些復制能力非常有限的細胞，如大腦或心臟。

科學家在分化干細胞時采用的一種常見方法是使用化學刺激物。雖然這種方法在制造單一類型的細胞方面非常有效，但它缺乏復制生物體復雜性的能力，在生物體中，多種細胞共存并協(xié)作形成一個器官。

另外，受細胞發(fā)育自然過程的啟發(fā)，另一種方法是將干細胞包裝成小細胞聚集物，或稱為胚狀體的球體。與真正的胚胎相似，胚體中細胞與細胞的相互作用是分化的主要驅動因素。從這些胚狀體的產(chǎn)生過程中，我們發(fā)現(xiàn)胚狀體的細胞數(shù)量、大小和球形等參數(shù)會影響產(chǎn)生的細胞類型。

然而，由于科學家們無法控制這些參數(shù)，他們不得不費力地生產(chǎn)大量的胚狀體，并選擇具有合適特性的特定胚狀體進行研究。

為了應對這一挑戰(zhàn)，新加坡科技與設計大學(SUTD)的研究人員轉向增材制造來控制胚胎體中的干細胞分化。他們的研究發(fā)表在《生物打印》雜志上。

博士生魯比姆卡·達斯(Rupambika Das)和助理教授哈維爾·G·費爾南德斯(Javier G. Fernandez)采用了多學科的方法，結合了3D打印和生命科學的研究領域，3D打印了幾個具有精細調(diào)整幾何形狀的微型物理設備。他們使用該設備展示了前所未有的精確度，通過形成胚狀體定向分化干細胞。在研究中，他們成功地調(diào)節(jié)了增強心肌細胞生成的參數(shù)，心肌細胞是在心臟中發(fā)現(xiàn)的。

“增材制造領域正在以無與倫比的速度發(fā)展。我們看到的精確度、速度和成本水平在幾年前都是不可想象的。我們所證明的是，3D打印現(xiàn)在已經(jīng)達到了幾何精度，可以控制干細胞分化的結果。在這樣做的同時，我們正在推動再生醫(yī)學在增材制造業(yè)加速發(fā)展的同時進一步向前發(fā)展。

“3D打印技術在生物學領域的應用主要集中在打印人工組織上，即使用帶有細胞的細胞來‘一塊一塊’構建人工器官�，F(xiàn)在，我們已經(jīng)證明了3D打印技術在仿生方法上的應用潛力，我們可以控制細胞在實驗室里的生長，就像它們在體內(nèi)生長一樣。”

2015年，來自清華大學和美國費城德雷塞爾大學的研究人員使用基于擠壓的3D打印技術制造了一個網(wǎng)格狀的3D結構來生長胚狀體，該胚狀體顯示了細胞活力和7天的快速自我更新，同時保持了高多能性。

“打印這些細胞的另外兩種常用方法要么是二維的(在有蓋培養(yǎng)皿中)，要么是‘懸浮’法(在重力作用下，物質(zhì)被扔下，形成一個‘石筍’狀的細胞)。”研究人員表示，“然而，這些并沒有顯示出相同的細胞均勻性和同質(zhì)性增殖。”

“我認為我們已經(jīng)創(chuàng)造了一個三維微環(huán)境，更像在體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的培養(yǎng)胚狀體的環(huán)境，這解釋了更高水平的細胞增殖。” 研究人員希望這項技術能夠高通量生產(chǎn)胚狀體，為其他研究人員進行組織再生實驗和/或藥物篩選研究提供基礎基礎。

2019年4月，以色列研究人員用人類細胞制作了一枚完整的3D打印心臟，為世界首例。雖然這顆心臟不會跳動，而且太小不能用于人類——它只有兔子的心臟大小。但這個小器官被認為是正在努力尋找治療心臟病的新方法的一大進步。

2020年7月，明尼蘇達大學的研究人員開發(fā)了一種新型生物墨水，使他們能夠創(chuàng)建一個功能性的3D打印的跳動的人類心臟。