Adv Sci:突破!首个3D打印的“人造心脏”诞生,有望变革器官移植

2019-04-16 不详 学术经纬

今日,来自以色列特拉维夫大学的科学家们又给我们带来了一项突破。一支科研团队用人类的脂肪组织,通过一系列神奇的操作,最终成功3D打印出了一颗“人造心脏”。它虽然只是一个微缩版的原型,却是人类“首次成功设计并打印出一个具有细胞、血管、心室和心房的心脏”。这颗心脏可以说是生物学、材料学、计算机科学等诸多学科联合带来的科学突破。具体来看,研究人员们先从一些患者的体内取出了一些脂肪组织,然后将其“细胞”与“

今日,来自以色列特拉维夫大学的科学家们又给我们带来了一项突破。一支科研团队用人类的脂肪组织,通过一系列神奇的操作,最终成功3D打印出了一颗“人造心脏”。它虽然只是一个微缩版的原型,却是人类“首次成功设计并打印出一个具有细胞、血管、心室和心房的心脏”。这颗心脏可以说是生物学、材料学、计算机科学等诸多学科联合带来的科学突破。具体来看,研究人员们先从一些患者的体内取出了一些脂肪组织,然后将其“细胞”与“非细胞”的成分进行分离。这些细胞随后被用来诱导产生多能干细胞,而胶原蛋白和糖蛋白等非细胞成分则用来合成“个体化凝胶”,来充当3D打印的“墨水”。


简单几步处理,脂肪变成了打印心脏的“墨水”

研究人员们发现,自身材料组成的凝胶给干细胞提供了良好的发育环境。在这些凝胶里,干细胞能高效分化成心脏细胞和内皮细胞。由于所有的材料都来自患者本身,这些细胞产生的组织能有效地避免异体器官移植中的排斥问题。“生物材料的兼容性是消除移植排斥问题的关键,这些问题可能会危害移植的成功,”本研究的通讯作者Tal Dvir教授说道:“理想情况下,生物材料应该与患者本身的组织有同样的生化、机械、以及拓扑性质。”


研究人员们用计算机模拟了小血管网络

成功分化细胞之后,研究人员们进一步开始用这一方法“3D打印”心脏组织和器官。利用CT扫描技术,他们勾勒出了心脏的大体结构,这包括了心脏的形状,心房心室的尺寸,以及主要血管的走向。对于CT扫描无法获取的小血管网络结构,研究人员们又使用了数学模型,计算不同区域的氧消耗,合理分配血管的走向。在计算机的辅助下,我们获得了更为完整的血管网络结构,用于实际的打印。万事俱备之后,他们成功打印出了一个“人造心脏”。限于目前的技术,研究人员们打印出来的还只是一个“迷你版”,尺寸只有樱桃一样大,差不多是兔子心脏的大小。这颗心脏带有心脏细胞和血管,结构完整。目前,这颗心脏里的细胞可以出现收缩,但尚不能像正常心脏一般搏动泵血。这也是研究人员们下一步的主攻方向。

按计划,他们想在1年多后开启动物实验,研究这种人造心脏用于器官移植的可行性。目前,心血管疾病是人类的第一杀手,而心脏移植是病情严重患者几乎唯一的选择。由于迟迟没有合适的器官,许多患者只能在等待中,迎来生命的终结。如果这一技术真的能用于人类器官移植,无疑是一大喜讯。“可能在10年里,全世界最好的医院里就能出现器官打印机。” Dvir教授乐观地估计道。我们期待早日看到梦想成真的那一天!

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本期指导专家:齐勇广东省第二人民医院关节外科主任医师博士,硕士研究生导师。主要研究方向为髋、膝、肩肘等骨关节疾病诊断诊治,擅长人工关节置换、关节镜技术,在人工关节置换、关节镜下韧带重建、半月板缝合、骨与软组织肿瘤的保肢治疗方面经验丰富。现任广东省医师协会关节外科学会委员、广东省医学会运动医学学会委员、广东省医师协会骨科分会委员、广东省医学会创伤骨科学分会青年委员会副主任委员、广东省行业协会创伤骨科