真正的“3D打印心臟”，離我們還有多遠？

卡內基梅隆大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種生物3D膠原蛋白技術(shù)，可以構造出人類(lèi)心臟的全部功能部件。（圖：卡內基梅隆大學(xué)工程學(xué)院）



撰文 | 孫一丹 湯佩蘭

8月2日，美國卡內基梅隆大學(xué) Adam Feinberg 領(lǐng)導的研究團隊在《科學(xué)》（Science）刊發(fā)的一項研究中宣布，該團隊設計出 FRESH2.0 打印系統，并且通過(guò)該技術(shù)成功地獲得具有收縮能力的左心室。

“這是生物3D打印技術(shù)對再生醫學(xué)和器官再造科學(xué)發(fā)展的一個(gè)重大貢獻。” 清華大學(xué)機械工程系教授孫偉對《知識分子》表示，構建內含血管通道的功能性心肌組織，一直是心肌組織工程的難點(diǎn)。這次創(chuàng )新證明 3D 打印可以構建具有微通道的心肌組織，通過(guò)皮下培養形成血管內通道，在外界刺激下實(shí)現功能收縮。

“3D打印” 最初是通過(guò)粘合劑材料作為 “墨水” 逐層堆積獲得三維物體，近年來(lái)隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展和 “墨水” 種類(lèi)的豐富，3D 打印技術(shù)被應用于越來(lái)越多的領(lǐng)域：小到服裝玩具，大到汽車(chē)和航空航天材料。利用細胞、生長(cháng)因子等生物活性材料作為 “墨水” 在水凝膠中打印的 “3D 生物打印” 在研發(fā)藥物、制造器官中開(kāi)始嶄露頭角，已有實(shí)驗成功運用 3D 生物打印軟骨組織修復膝關(guān)節軟骨缺陷。但是目前為止仍然無(wú)法通過(guò) 3D 打印技術(shù)構建具有功能的整個(gè)器官。

2019年4月，特拉維夫大學(xué)（TAU）的 Tal Dvir 團隊利用由患者組織處理獲得的心肌細胞和內皮細胞，在加入細胞質(zhì)基質(zhì)的水凝膠中制造出了櫻桃大小的全球首例3D打印出完整結構的心臟。不過(guò)，孫偉評論稱(chēng)，該心臟 “貌似不等于神似”，并不具備心臟的生理功能。

在最新的這一研究中，Adam Feinberg 團隊設計出 FRESH2.0 打印系統，采用心肌細胞和膠原蛋白雙材料的印刷策略，打印出了一個(gè)左心室模型，并進(jìn)一步分析了該模型的功能，觀(guān)察到了心率失常相關(guān)的電生理行為和心室收縮現象。

FRESH2.0 打印系統是基于膠原蛋白的成功利用而開(kāi)發(fā)的。膠原蛋白在細胞質(zhì)基質(zhì)中起著(zhù)維持細胞結構、提供粘附、傳導信號等作用，是作為 “支架” 的理想材料。

研究者改良了生物材料在水凝膠中的組裝機制——利用酸堿度變化驅動(dòng)生物材料的自組裝，與傳統的熱驅動(dòng)相比，酸堿度驅動(dòng)組裝解決了傳統水凝膠柔軟、支持力度不夠的問(wèn)題，允許使用更強濃度的膠原作為墨水從而增強機械性能，更有利于復雜結構的制造。不僅如此，研究者改良了凝膠微粒的生產(chǎn)工藝，減少了凝膠微粒的直徑和分散程度，并且將凝膠微粒形狀調整成了均勻球狀形態(tài)，從而將印刷的分辨率提升了一個(gè)數量級。這兩項改進(jìn)實(shí)現了在水凝膠中印刷精準膠原蛋白。

為了證明 FRESH2.0 打印系統的功能，研究者先將印刷物植入小鼠皮下，結果顯示其能夠生成完整的血管網(wǎng)。該系統又打印出了具有收縮能力的左心室和能夠承載生理壓力的三尖瓣，這表明膠原結構在人體中的機械完整性。通過(guò)灌注，驗證了血管網(wǎng)的暢通性。最后打印出新生兒比例的人體心臟膠原模型，由此證明 FRESH2.0 打印大型結構能力。

那么，這是否證明 FRESH2.0 可以打印功能齊全的心臟了呢？Adam Feinberg 表示目前仍有許多挑戰需要克服，例如打印所需的數十億細胞。目前，FRESH2.0 作為打印系統，有能力構建模型，有潛力成為研究器官結構、機械強度和生物學(xué)特性的強有力工具。

對 3D 打印心臟的未來(lái)，孫偉認為，“我們也許永遠不要期待用 3D 打印可以直接打印出具有生理功能的心臟。” 為何這么說(shuō)？

孫偉補充說(shuō)，隨著(zhù)生物 3D 打印技術(shù)的發(fā)展，新穎生物墨水的使用，干細胞和細胞生物學(xué)的突破，有可能用生物 3D 打印技術(shù)打印出心臟再生所需的生物學(xué)模型，然后在此基礎上，通過(guò)細胞生物學(xué)和發(fā)育生物學(xué)的交叉融合，最終實(shí)現心臟再造。

“我樂(lè )觀(guān)估計我們離這一天大概還需要15年的努力。” 孫偉最后預測道。



參考資料：

1. Lee, A. etal., 3D bioprinting of collagen to rebuild components of the human heart. Science 365, no. 6452 (2019): 482-487

2. Hong, N. etal., 3d Bioprinting and Its in Vivo Applications. Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials 106, no. 1 (2018): 444-59.

3. Noor, N. etal., 3d Printing of Personalized Thick and Perfusable Cardiac Patches and Hearts. Advanced Science 6, no. 11(2019): 1900344.