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突破瓶颈!美科学家3D打印人类心脏组织 可实现部分心脏功能
作者: 发布日期:2019-08-07

一种史无前例的技术方法,它使得组织工程学向着 3D 打印出全尺寸的成人心脏又迈进了一大步。


8月5日,记者了解到,卡内基梅隆大学(Carnegie Mellon University)的研究人员于最近在 Science 杂志上发表了一篇论文,介绍了一种新的、采用胶原蛋白来 3D 生物打印出人体组织结构的技术。其中所使用的打印材料胶原蛋白,正是人体的主要结构蛋白。


在该研究中,论文的第一作者 Andrew Lee 和他的同事,采用心肌细胞和胶原蛋白双材料的打印策略,打印出一个左心室模型,并进一步分析了该模型的功能,观察到了心率失常相关的电生理行为和心室收缩现象。他们甚至进一步打印出相当于新生儿的人体心脏胶原模型,证明了 FRESH2.0 打印大型结构的能力。

突破瓶颈!美科学家3D打印人类心脏组织 可实现部分心脏功能

3D 打印胶原蛋白技术,可以构造出人类心脏的全部功能部件。(来源:卡内基梅隆大学)


把细胞和胶原蛋白作为“墨水”


这项技术被其研究团队称为“悬浮水凝胶的自由可逆嵌入”(Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels, FRESH),该技术的发现帮助研究人员克服了现有 3D 生物打印技术涉及的诸多问题,并利用“柔软而有生命”的活体材料,让打印出的组织结构达到前所未有的分辨率和保真度。


3D 打印是一种以数字模型为基础,采用各自不同的材料,通过逐层叠加的方式来构造物体的技术。技术出现伊始,常用于模具制造、工业设计等领域,后逐渐用于一些产品的直接制造。


最早在 2000 年前后, 3D 生物打印这一技术概念由美国几所大学的教授提出;至 2003 年, Mironv V 和 Boland T 在 Trends in Biotechnology 杂志系统地提出了“器官 3D 打印”这一概念。


尽管 3D 打印技术的潜力巨大,但受限于生物组织的保真度差、打印的分辨率低等技术限制, 3D 打印技术在生物医学领域的广泛应用受到了极大掣肘。特别是用活细胞打印和制造胶原蛋白等软质生物材料,这两个被寄予厚望的研究目标一直举步维艰。


如今,这项最新研究突破了这一技术瓶颈。


Andrew Lee 在 2015 年第一次提出该方法(FRESH),经过了 4 年多的不断改良和研发,到了 FRESH v2.0 版本, 3D 生物打印技术利用 pH 值的快速变化,可使挤压出的胶原蛋白凝固,并实现精确控制。


FRESH v2.0 的 3D 生物打印技术可以创建出拥有复杂功能的组织结构,并能将其进一步嵌入活细胞或复杂的血管系统中,其打印分辨率可达 10 μm 。Lee 和他的同事用这种方法,可以完全依靠胶原蛋白和人体细胞来制造出人类心脏的各个部分,包括心脏组织、收缩心室,甚至是新生儿尺寸的心脏。

突破瓶颈!美科学家3D打印人类心脏组织 可实现部分心脏功能

通过 FRESH 3D 生物打印技术打印出的三尖瓣小叶心脏瓣膜(左上)、多尺度的血管系统(右上)和相当于新生儿尺寸的心脏(中下)(来源:Science)


创新的打印技术


人体的每一个器官,都是由一种叫做细胞外基质(extracellular matrix,ECM)的生物支架,将各种特殊的细胞组成在一起的。这种 ECM 蛋白网络可以提供人体细胞正常功能运转所需的结构和生化信号。这个 ECM 架构如此复杂,以至到目前为止,研究人员还没有发现任何使用传统的生物制造方法来重建的可能。


传统方法遇阻,很多科研人员都转向 3D 生物打印的研究,以期获得突破。


卡内基梅隆大学材料科学与工程、生物医学工程教授 Adam Feinberg 说:“我们的研究团队已经证明了,我们可以采用心脏的细胞和胶原蛋白来打印出部分心脏,这是拥有真正心脏功能的部分,比如一个心脏瓣膜或者一个跳动的心室。” Adam Feinberg 也是这项研究的指导者。


“通过使用人类心脏的 MRI (核磁共振成像)数据,我们能够准确地重现被检测者的特定解剖结构、 3D 生物打印的胶原蛋白和人类心脏细胞。” Adam Feinberg 如此表示。


胶原蛋白是一种非常理想的 3D 生物打印材料,因为它几乎构成了人类身体的每一个组织。但是之前 3D 生物打印所面临的重重困难,就因为胶原蛋白是液态的。“如果你想在空气中打印出来胶原蛋白,它只会在你的构建平台上留下一滩水坑。”论文的另一位第一作者 Andrew Hudson 表示。他也是 Adam Feinberg 的博士生。


“为了避免上述情况,我们开发了一种技术来防止它变形(或者流动)。” Andrew Hudson 说。

突破瓶颈!美科学家3D打印人类心脏组织 可实现部分心脏功能

将酸化的胶原蛋白溶液挤出到 pH 值为 7.4 的 FRESH 技术支持的凝胶支撑液中,可快速中和使胶原蛋白凝胶化,形成胶原蛋白丝 (来源:Science )


Feinberg 实验室开发的 FRESH 3D 生物打印技术,可以让胶原蛋白在凝胶支撑液中逐层沉积,使胶原蛋白在支撑液中凝固成形。当打印完成后,把凝胶支撑液从室温加热至体温,即可将其融化。这样一来,研究人员就可以在不破坏胶原蛋白或细胞打印结构的前提下,移除支撑凝胶。


对 3D 生物打印的长远影响


对于 3D 生物打印领域来说,相比于之前采用其他材料做出的突破, FRESH 技术的发现是真正令人感到兴奋的。因为它可以用胶原支架打印出大规模的人体器官。


在今年 4 月,以色列特拉维夫大学(Tel Aviv University)的研究团队采用人体组织首次 3D 打印出了一颗心脏,而在此之前,人们所打印出的心脏通常采用的都是人工材料。

突破瓶颈!美科学家3D打印人类心脏组织 可实现部分心脏功能

以色列特拉维夫大学研究团队 3D 打印心脏的过程 (来源:Tel Aviv University)


特拉维夫大学的研究团队所打印出的这颗心脏是一个微缩模型,仅有樱桃大小(相当于兔子的心脏),虽然是带有血管和细胞的完整心脏,但并不能统一地收缩和舒张,不具备泵血功能。而且从器官体积来看,如果想达到打印出人类心脏大小的程度,实际还需要长期的研究。

突破瓶颈!美科学家3D打印人类心脏组织 可实现部分心脏功能

以色列特拉维夫大学首次 3D 打印的心脏只有樱桃大小 (来源:Tel Aviv University)


对于 FRESH 技术,其不仅限于胶原蛋白的 3D 打印,纤维蛋白、藻酸盐、透明质酸等多种软性凝胶均可采用该技术来实现 3D 打印,这就为组织工程学提供了一个强大的、适用性广泛的平台。


另外很关键的一点是,研究人员同时开发了数字建模的开源设计,这样可以让任何人——不论是在医学实验室的研究人员,还是在高中大学校园里的学生——都可以用较低的成本构建出自己的高性能 3D 生物打印机。


着眼于未来, FRESH 技术在再生医学领域的许多方面都能得以应用,从伤口修复到器官生物工程,横跨多个方向。在美国,目前有 4000 多名患者正在排队等待心脏移植,而世界范围内,则更是有数百万人需要心脏,但却没有资格进入等候名单。所以市场对替代器官的需求是相当大的,需要有新的方法来修复、补充或者制造出能长期替代器官功能的人造器官。


Adam Feinberg 也是卡内基梅隆大学生物工程器官计划的成员之一,而 FRESH 就是他正努力用新一代生物工程器官技术来解决各种问题的办法。他表示:“我们真正讨论的是技术的融合。不仅仅是我的实验室在 3D 生物打印方面所做的,还有其他实验室和一些公司在干细胞科学、机器学习、计算机模拟,以及新的 3D 生物打印技术硬件和软件方向上所做的工作。”


2018 年,卡内基梅隆大学的再生生物材料和治疗集团利用 FRESH 技术创立了 FLuidForm 公司,并与开源 3D 打印机制造商 Aleph Objects 合作,携手进入 3D 生物打印市场。对 Aleph Objects 的 CEO 兼总裁 Grant Flaharty 来说,这项合作让他们成为未来 8——9 年内预计将增长到近 20 亿美元的新市场的一部分。


Grant Flaharty 表示:“把工程领域验证过的专业 3D 打印机和硬件专业技术,与 3D 生物制造技术相结合,这将成为一件会改变游戏规则的事。我们非常愿意用 3D 生物打印机来构建真正的人体功能组织。”


当然,目前 3D 生物打印技术,还处于一个初期阶段。“重要的是要明白,还有许多年的研究尚待完成。” Adam Feinberg 补充道,“但是,我们仍然应该为此(FRESH技术)感到骄傲。因为我们在设计人体功能性组织和器官方面取得了真正的进展与突破,而这篇论文就是沿着这条道路迈出的重要一步。”


____机械工程系教授孙伟在接受“知识分子”公号采访时,对这项技术给出了自己的预测,“我乐观估计我们离这一天大概还需要 15 年的努力。”




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