超100萬元的人工心臟獲歐盟和美國批準使用，3D打印心臟還遠嗎？

2021年3月5日，南極熊了解到，最近一家研究人工心臟的法國公司Carmat取得了一系列的重大進展。

● 2020年12月23日，Carmat發(fā)布消息稱公司的全人工心臟獲得歐洲CE認證；
● 2021年2月10日，Carmat宣布獲FDA批準，在美國早期可行性研究（EFS）中使用其新版人工心臟。

Carmat的愿景是通過研發(fā)人工心臟，革命性的改進心臟移植手術(shù)。該公司研發(fā)的人工心臟可用來挽救晚期心力衰竭患者的生命，緩解心臟供體來源的短缺。繼2020年5月在美國進行了10名人工心臟移植患者的臨床可行性研究后，又于2020年12月開展了52名心衰患者的多中心前瞻性臨床研究。心臟移植是晚期心衰患者的金標準療法，然而這種療法受到心臟捐獻者匱乏的限制，如在美國每年只有5500名患者有幸實施心臟移植手術(shù)。這就是Carmat公司想要改變的現(xiàn)狀，通過提供人工心臟移植解決方案，以治療晚期雙室性心力衰竭患者。2020年12月下旬，Carmat公司獲得了歐洲CE批準，并售出第一個人工心臟。

據(jù)悉，Carmat 生產(chǎn)的人工心臟由生物材料制成，模擬了人體心臟內(nèi)的兩個心室，兩個心房，以及四個瓣膜，同時還有傳感器、鋰電池等組件，可以根據(jù)人體的活動變化，自動調(diào)節(jié)血液的流動速率。
但這顆心臟的重量也比傳統(tǒng)人體心臟重 3 倍，目前只適用于體型較大的男女性。人工心臟暫定售價 15 萬歐元（約 116 萬元），根據(jù)市場需求每月生產(chǎn)量可達到 10 顆。

在 2021 年之前，全世界僅有 Syncardia 一家公司，通過了美國、加拿大和歐洲監(jiān)管部門批準，可以在這三地開展人工心臟的商用�，F(xiàn)在，Carmat也正式踏入這一市場。

國內(nèi)方面，2019 年 9 月，國內(nèi)首款人工心臟產(chǎn)品 “重慶造”植入式左心室輔助系統(tǒng) EVAHEART I 正式獲批上市，由體內(nèi)組件和體外組件構(gòu)成，通過搭建起心臟左心室到主動脈的旁路，對患者的心臟泵功能起部分替代或輔助作用。

令人遺憾的是，Carmat的人工心臟并未提到3D打印技術(shù)。但是，南極熊相信，3D打印作為一種創(chuàng)新的制造手段，遲早會被采用的。

3D打印心臟的進展

以色列科學家：3D打印血管化的人類心臟
在此之前，南極熊也曾報道過多個3D打印心臟方面的進展，2019年4月16日，以色列科學家有史以來第一次創(chuàng)造了一種血管化的人類心臟——使用3D打印機將患者的人體組織結(jié)合起來。

特拉維夫大學的一個研究小組揭示了3D打印的心臟，它完全符合人類患者的免疫、細胞、生化和解剖學特性。研究的首席作者、特拉維夫大學分子細胞生物學和生物技術(shù)學院的Tal Dvir教授稱：“這是世界上首次有人成功通過工程學設(shè)計，打造出具有細胞、血管、心室的完整心臟。

央視財經(jīng)頻道也報道了“3D打印心臟技術(shù)獲突破：細胞和血管一應(yīng)俱全”

3D打印活體心臟過程：
●從患者的脂肪組織中分離出細胞和α-細胞材料；
●脂肪細胞被轉(zhuǎn)化為胚胎干細胞；
●胚胎干細胞分化為心臟或內(nèi)皮細胞等細胞類型；
●使用膠原蛋白和糖蛋白等材料，制作水凝膠，3D打印出可降解的生物支架或骨架上，這個支架像心臟的形狀；
●把分化好的細胞，培養(yǎng)進入支架相應(yīng)的部位，變成一個生物心臟；
●3D打印過程大約需要3-4個小時。

在研究中，科學家們從患者身上采集了脂肪組織，并且將其中的細胞和非細胞物質(zhì)分離開來。分離出的細胞隨后與特制的打印材料混合到一起打印出適合患者的心臟組織。Dvir博士稱：“這種心臟是由人類細胞和為患者特制的生物學材料打造而成的。在打印過程中，這些生物學材料充當?shù)氖且环N生物墨水，這些由糖和蛋白質(zhì)構(gòu)成的材料能夠用于3D打印復雜的組織模型。”

△TAU的生物3D打印工藝和使用該技術(shù)制造的其他樣品結(jié)構(gòu)

△3D打印的微型心臟模型結(jié)構(gòu)

TAU生產(chǎn)的3D打印心臟大小適合兔子。它需要在生物反應(yīng)器中經(jīng)歷成熟過程以保持細胞存活并使其生長以適應(yīng)真人大小的心臟。成熟過程需要大約一個月，之后他們將它們移植到動物如兔子和大鼠中進行測試。他們希望這將在一兩年內(nèi)實現(xiàn)。 Dvir說，希望在“10年內(nèi)，世界上最好的醫(yī)院將有器官打印機，這些程序?qū)⒍ㄆ谶M行。”

蘇黎世瑞士聯(lián)邦理工學院：3D打印硅膠心臟

2017年7月14日，蘇黎世瑞士聯(lián)邦理工學院的功能材料實驗室研究人員，已經(jīng)使用3D打印來創(chuàng)建一個幾乎像真實心臟一樣跳動的硅膠心臟。這個人造心臟持續(xù)了約3,000次搏動，大概30至45分鐘。

BIOLIFE4D：3D打印人體心臟組織

2018年6月28日，生物3D打印和組織工程公司BIOLIFE4D，司宣布已成功展示其3D打印的人體心臟組織，而且該公司表示已經(jīng)具備3D打印人類心臟貼片的能力，該公司下一步將會朝著3D打印人類心臟繼續(xù)進發(fā)。

BIOLIFE4D的3D生物打印首先要采集患者的血液樣本。因為人體內(nèi)的每個細胞都有相同數(shù)量的基因和相同的DNA，每個細胞都有可能轉(zhuǎn)化為基本上任何其他細胞。

第二步，將樣品中的血細胞轉(zhuǎn)化為非特化成體誘導的多能干細胞（iPS）。

通過分化，iPS細胞轉(zhuǎn)化為人體中幾乎任何類型的特化細胞，本案例中是心肌細胞（心臟細胞）。 然后將這些細胞與液體環(huán)境（水凝膠）中的營養(yǎng)素和其他必需因素結(jié)合起來，以保持細胞在整個過程中存活。

然后將這種生物墨水裝入生物3D打印機進行打印，這是一種高度專業(yè)化的3D打印機，可以保護打印過程中的細胞活性。

BIOLIFE4D的生物3D打印過程提供了將患者自身血細胞重新編程為iPS細胞的能力，然后將這些iPS細胞分化成不同類型的心臟細胞，這些心臟細胞不僅可以用于心臟貼片，而且最終有可能成為用于移植的人類心臟。

這種能力至關(guān)重要，因為BIOLIFE4D試圖治療心臟病和其他心臟損傷，特別是通過消除對供體器官的需求來改善移植過程。

BIOLIFE4D首席執(zhí)行官史蒂文莫里斯表示：“從一開始我們的使命就是利用我們的技術(shù)拯救生命。 今天，我們相信我們離最終實現(xiàn)這一目標更近了一步。“

WFIRM：生物工程心臟組織

△WFIRM開發(fā)了30多種不同的組織和器官（來源：維克森林醫(yī)學院）

WFIRM的主管Anthony Atala博士在3D生物打印領(lǐng)域是一個了不起的名字。幾年前，他的團隊進行了工程設(shè)計（未進行3D打印）并將膀胱移植到了活著的患者中。目前，該研究所開發(fā)了30多種不同的組織和器官。

2018年4月，WFIRM團隊發(fā)表了一篇論文，描述了他們?nèi)绾问褂么笫笮呐K細胞3D生物打印功能性和收縮性心臟組織。這些細胞被懸浮在生物墨水中，并被打印成類似于人類心臟組織的結(jié)構(gòu)。

他們能夠測試腎上腺素和卡巴膽堿等激素的作用，就像在生物體中一樣，這會導致打印的心臟組織中的心率發(fā)生預(yù)期的變化。

2020年初，WFIRM宣布創(chuàng)建一個  微型人體 “模型”，其中包含不同的生物工程人體組織，這些組織將專門用于藥物測試。微小的類器官結(jié)構(gòu)大約是成年人大小的百萬分之一，并且包括微型心臟組織。

Atala博士說，微型人體實驗室模型的最重要功能是“在開發(fā)的早期就確定一種藥物是否對人類有毒”，這對實驗藥物測試產(chǎn)生了巨大影響。

哈佛劉易斯實驗室：新型生物打印技術(shù)

△去除了3D打印材料，留下了允許血液流動的通道

哈佛大學Wyss生物啟發(fā)工程研究所的劉易斯實驗室是生物打印領(lǐng)域的又一重要參與者，最近宣布了一項新技術(shù)，可以實現(xiàn)3D打印心臟。該實驗室由詹妮弗·劉易斯（Jennifer A. Lewis）教授領(lǐng)導。

技術(shù)原理

這種新的生物打印技術(shù)稱為SWIFT，是犧牲性寫入功能組織（sacrificial writing into functional tissue）的首字母縮寫。它將活細胞作為基質(zhì)，將血管通道打印到其中。然后，通過加熱除去3D打印材料，留下應(yīng)作為血管結(jié)構(gòu)的通道，讓血液流過。

常規(guī)3D生物打印技術(shù)可與需要在生物反應(yīng)器中成熟的細胞一起使用，以“存活”并獲得3D打印器官內(nèi)所需的特定功能。這些技術(shù)中使用的生物墨水也缺乏人體組織的實際密度。SWIFT技術(shù)繞開了這兩個問題，因為它可以與已經(jīng)以所需密度包裝的活細胞一起使用。

該研究小組成功地將3D打印的血管通道打印到了活心臟來源的細胞中，從而形成了像活心臟一樣跳動的心臟組織。組織保持存活并同步跳動7天，證明3D打印的血管通道可按預(yù)期發(fā)揮功能。

瑞士科技大學：人工心臟瓣膜

△這些3D打印心臟瓣膜可以替代實際患者中的滲漏或損壞的瓣膜（來源：Science Business）

盡管未進行生物打印，但2017年，瑞士科技大學ETH Zurich的一組研究人員發(fā)表了一篇論文，描述了用有機硅3D打印的功能性跳動心臟。

他們與人類心臟的大小大致相同，并且具有相同的功能，它們的工作證明了我們正在迅速地實現(xiàn)無需移植就可以替代心臟的能力。

技術(shù)原理

就像真正的人類心臟一樣，這種硅膠打印體具有左右心室以及通過壓縮空氣驅(qū)動泵送動作的腔室。主要限制是3D打印的心臟只能持續(xù)大約30分鐘或3,000拍，然后材料會降解和減弱。

在2019年，同一研究小組與南非公司Strait Access Technologies合作開發(fā)了人造3D打印心臟瓣膜，可替代真實患者中的滲漏或損壞的瓣膜。這些部件以與身體兼容的材料進行3D打印，并提供與常規(guī)更換閥相同的血流功能。

盡管已經(jīng)存在用于移植的人造心臟瓣膜，但瑞士研究人員開發(fā)的人造心臟瓣膜的針對每個患者量身定制的。得益于MRI和CT成像，每個閥門都可以專門設(shè)計以實現(xiàn)完美的配合。

美國加利福尼亞大學：3D打印功能性心臟組織

來自美國加利福尼亞大學的Sohyung Lee等人在《Advanced Materials》上發(fā)表題為“基于重組人彈性蛋白的生物墨水用于血管化軟組織的3D生物打印技術(shù)”的文章。在這項工作中證明了使用重組人原彈性蛋白作為具有高度生物相容性和彈性生物墨水去制造復雜的軟組織的3D打印技術(shù)的可行性。

作為該概念的證明，本文對血管化的心臟構(gòu)建體進行生物打印，并在體外和體內(nèi)評估其功能。打印的結(jié)構(gòu)體顯示出內(nèi)皮細胞屏障功能和心肌細胞的自發(fā)搏動，這是體內(nèi)心臟組織的重要功能。此外，打印的結(jié)構(gòu)體引起的炎癥反應(yīng)很小，并且將其皮下植入大鼠中時體內(nèi)可有效地生物降解。綜上所述，這些結(jié)果證明了彈性生物墨水在打印3D功能性心臟組織中的潛力，而該3D功能性心臟組織最終可用于心臟組織的替換。

△優(yōu)化3D打印參數(shù)示意圖

△使用MeTro / GelMA生物墨水對充滿細胞的彈性結(jié)構(gòu)進行3D生物打印的過程

△3D打印血管化心臟構(gòu)建體的體外功能和體內(nèi)生物相容性評估示意圖