3D生物打印心脏组织的新进展和面对的挑战

来源： 广西增材制造协会  

在最近发表的“ 3D生物打印及其对心力衰竭治疗的潜在影响：行业角度”中，作者Ravi K. Birla和Stuart K. Williams探索了心脏医学中组织工程的潜力以及最终组装的生物打印心脏。虽然心力衰竭通常需要进行移植，但要找到合适的供体可能具有挑战性。移植一旦完成，就需要永久性的免疫抑制疗法，这对患者来说是艰巨的任务，因此还有很长的路要走。患者的通常生存率通常在13岁以下。

作者说：“目前，在美国，有超过620万心力衰竭患者，而心力衰竭在2016年的死亡率为78,356人。”

在这项研究中，研究人员回顾了生物打印对创建心脏组织的挑战，以及“对人类心脏进行生物打印的逻辑和系统过程”。尽管医学界充满了进步的工具，治疗方法和设备，尤其是对于心脏病患者，但对于最终制造器官而言，没有什么技术比组织工程技术更有希望了。由于具有产生由“生物和人工构造”组成的生物预制心脏的潜力，可以通过模块化部件轻松实现整个心脏的出现。

组织工程的定义-组织工程的基础是细胞，生物材料和生物反应器。细胞是所有组织和器官的功能元素，而生物材料旨在模拟哺乳动物的细胞外基质并提供结构支持。生物反应器是为3D组织/器官发育和成熟提供生理线索的定制设备。电刺激由平行电极传递，而单轴拉伸（如单箭头所示）设计为应用生物工程组织的循环运动。

心脏组织工程包括：
· 3D打印的心脏贴片
· 生物泵
· 心室
· 阀门
· 血管
· 全面的生物人工心脏
这组作者解释说：“对心脏或整个生物人工心脏进行生物工程改造的能力，都在改变心脏疾病患者的护理标准方面得到了应用。”“取决于患者的严重程度、心脏补丁可能足以增强失去的收缩功能，而在慢性心力衰竭的情况下，可能需要总的生物人工心脏。

除了细胞的空间调节外，生物打印还可以精确放置生物材料。这就是3D生物打印提供强大功能的地方，它使我们能够以非常特定的模式准确定位不同的细胞类型，从而可以严格控制心脏生物工程过程。”

心脏组织工程概述-心脏组织工程领域包括生物工程收缩3D心肌、生物脉动泵、生物工程左心室、生物人工瓣膜和血管移植物以及生物人工心脏的方法。收缩性3D心肌旨在复制哺乳动物心肌组织的特性，并且可以用作斑块以增加心肌梗塞后左心室的压力。脉动泵旨在产生腔内压力，可用作生物泵。左心室可作为心脏的组成部分，或在发育不良的左心综合征的儿科病例中代替表现不佳的心室。瓣膜和血管移植物可用于替代哺乳动物的瓣膜和血管，或用作生物工程心脏的组成部分。

人类心脏的主要组成部分-人类心脏由四个腔室、四个瓣膜、心脏传导系统、收缩性心肌细胞和复杂的脉管系统组成。四个腔室分别是左、右心室和主动脉，而四个瓣膜是主动脉瓣和二尖瓣以及肺和三尖瓣。心脏传导系统由SAN、AVN、His束和Purkinje纤维组成。心脏血管系统由较大的血管和较小的微循环组成。心肌细胞是负责心肌收缩的细胞。

迄今为止，大多数涉及对心脏组织进行生物打印的研究都表明了“对心脏进行生物打印的初步可行性”。随着当今可用的研究和工具数量的增加，这种进步是不可避免的。

这组作者说：“基于目前整个心脏生物工程技术的最新水平，我们可以肯定地说，尽管我们不能为实现这一命运指定具体的时间框架，但可以将人类心脏用于临床移植。”

人类心脏的生物打印始于2003年组织工程的最初历史，然后在几年后进一步研究。

3D生物打印过程-将分离的细胞悬浮在定制的生物墨水中，然后装入注射器中。对心脏进行生物打印所需的细胞的例子包括收缩性心肌细胞、传导起搏器和浦肯野细胞、结构性成纤维细胞和血管平滑肌细胞以及内皮细胞。气动压力用于通过打印头挤出装有细胞的生物墨水，而逐层方法用于构建组织或器官

3D生物打印人类心脏的科学突破

在生物打印和随后的心脏组织制造中，一直持续迅速地发展着，这使科学家们在这种锻炼中实现的幻想更少，而更多的是现实。

对人的心脏进行生物打印的过程，患者的MRI图像用于对心脏进行建模。从患者皮肤活检组织中分离出皮肤成纤维细胞，并将其转化为iPS细胞，然后转化为心肌细胞。心肌细胞与生物墨水结合在一起，用于对患者特定的人心脏进行生物打印。生物印迹心脏在生物反应器中进行调节，并用于移植。

对心脏进行生物打印的路线图包括：
· 微循环的3D打印
· 冠状大血管结构的构建
· 心脏传导系统的3D生物打印
· 心脏瓣膜的3D生物打印
· 心肌的3D生物打印

研究人员总结说：“该领域需要克服的最重要的挑战，通常是干扰心脏干细胞治疗领域的挑战，是重新编程的心肌细胞的不成熟。”“ iPS细胞向心肌细胞的转化现在是标准且可重现的，分化的细胞类似于胚胎表型，将这些细胞驱动为成年表型仍然是心脏干细胞治疗领域的关键挑战。

“一旦由独立研究实验室复制，再加上可用于机电刺激的商业生物反应器、成熟心肌细胞的可利用性将为3D生物打印人心脏的临床移植提供一条清晰的途径。”从心脏斑块和细胞化的心脏到心脏瓣膜的形成，生物印记如今已被广泛应用，最终形成了细胞培养的整体转化。