哈佛大學(xué)開發(fā)出伴隨母體生長(zhǎng)的3D生物打印心臟技術(shù)，有望解決“一心難求”窘境

南極熊導(dǎo)讀：據(jù)2020 年 12 月世界衛(wèi)生組織公布的《2019 年全球健康評(píng)估報(bào)告》顯示，在過(guò)去 20 年來(lái)，心臟病一直高居全球致死疾病的榜首，因心臟病死亡人數(shù)比以往任何時(shí)候都多。自 2000 年以來(lái)，心臟病死亡人數(shù)增加了200多萬(wàn)，2019年增至近900萬(wàn)。

其中有許多病情嚴(yán)重的患者需要進(jìn)行心臟移植手術(shù)，然而這個(gè)等待周期總是太長(zhǎng)，等六個(gè)月以上甚至生命時(shí)長(zhǎng)耗盡前都沒(méi)能等到的情況也并不少見。由此可見，提供更有效的心臟組織替代方案是當(dāng)前醫(yī)學(xué)界迫切的需求，而3D生物打印心臟技術(shù)就是其中一條行之有效的解決途徑。

2022年6月12日，南極熊獲悉，來(lái)自哈佛大學(xué) Wyss 仿生工程研究所和哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院 (SEAS) 的 Jennifer Lewis 團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)了一套新的心臟工程技術(shù)。該技術(shù)模擬了心臟收縮元件的復(fù)雜排列，同時(shí)產(chǎn)生足夠厚的組織，以用于再生心臟治療。

現(xiàn)有SWIFT 3D生物打印技術(shù)的改進(jìn)

這套方案是建立在現(xiàn)有SWIFT生物打印平臺(tái)基礎(chǔ)上，打印平臺(tái)有1050個(gè)孔，每個(gè)孔包含兩個(gè)微柱。研究人員首先通過(guò)人工誘導(dǎo)多能干細(xì)胞衍生心肌細(xì)胞（hiPSCs-CMs），形成預(yù)組裝心臟器官構(gòu)件（OBB），然后將OBB從微柱上取下并用作制造生物墨水的原料，并在打印過(guò)程中利用3D打印機(jī)頭的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行進(jìn)一步的對(duì)齊。

△3D生物打印過(guò)程

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，該團(tuán)隊(duì)能夠打印出具有與實(shí)際人類心肌層相似的復(fù)雜多變排列的心臟組織薄片，這將有望為3D打印心臟組織替代物鋪平道路。

為了測(cè)試打印的心臟結(jié)構(gòu)的收縮特征，研究人員還打印了連接兩個(gè)大柱的“大長(zhǎng)絲”，測(cè)量后發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)絲產(chǎn)生的收縮力和收縮速度在 7 天內(nèi)有所增加，這表明心臟細(xì)絲能夠不斷成熟為真正的肌肉狀細(xì)絲。

△3D生物打印的心臟細(xì)胞

這也意味著新技術(shù)能夠有效地模擬心臟收縮系統(tǒng)在從單個(gè)細(xì)胞到由多層組成的較厚心臟組織的整個(gè)層次結(jié)構(gòu)中的排列，對(duì)于生成用于替代治療的功能性心臟組織至關(guān)重要。

未來(lái)借助這項(xiàng)技術(shù)，它可以用來(lái)生成更多的生理疾病模型，并創(chuàng)建高度結(jié)構(gòu)化的心肌貼片，就像樂(lè)高積木一樣，可以匹配并用于替換心臟病發(fā)作后患者特定的疤痕。

同樣，它們可以用定制的方式來(lái)修補(bǔ)患有先天性心臟缺陷的新生兒心臟中患者的特定“漏洞”，而且這些貼片可以隨孩子一起發(fā)育，而不必隨著孩子的成長(zhǎng)而更換。

3D生物打印心臟組織的其他進(jìn)展

早在2017 年，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)曾利用 3D 打印技術(shù)打造了一種人造硅膠心臟，它能像人體內(nèi)的器官一樣跳動(dòng)，但當(dāng)時(shí)的測(cè)試結(jié)果顯示它能維持的使用時(shí)間只有 30 到 45 分鐘。

△圖片來(lái)自：ETH Zürich

2019年，以色列特拉維夫大學(xué)的研究人員創(chuàng)造了世界上第一顆具備細(xì)胞和血管的3D打印心臟。研究人員從患者身上采集了脂肪組織，并且將其中的細(xì)胞和非細(xì)胞物質(zhì)分離開來(lái)。分離出的細(xì)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。這雖然是個(gè)包括血管和心室等部分的構(gòu)造完整的心臟，但它只有兔子心臟的大小。

△圖片來(lái)自：Wyss Institute

2022年6月，國(guó)內(nèi)中科院和清華大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)，創(chuàng)造性地將六軸機(jī)器人改造成為生物3D打印機(jī)--六軸機(jī)器人生物3D打印機(jī)，實(shí)現(xiàn)了360°全方位任意角度細(xì)胞打??；并且開發(fā)了油浴細(xì)胞打印體系，以更好地保持細(xì)胞打印后的自然功能。結(jié)合自行設(shè)計(jì)的生物反應(yīng)器和重復(fù)的打印培養(yǎng)策略，生物打印系統(tǒng)能夠生成血管化的、可收縮的、長(zhǎng)期存活的心臟組織，為復(fù)雜器官的體外制造提供了一個(gè)有前途的解決方案。

△六軸機(jī)器人生物3D打印機(jī)示意圖

雖然在實(shí)現(xiàn) 3D 打印功能齊全的完整心臟之前還有很長(zhǎng)的路要走，但這項(xiàng)技術(shù)的出現(xiàn)已經(jīng)是極大的突破，也許距離實(shí)現(xiàn)人工心臟可替代的的那天并不遠(yuǎn)了。