Science：重磅！三維打印人類心臟不再是遙遠的夢

來源：作者：人氣：-發表時間：2019-08-02 08:51:00【大中小】

在一項新的研究中，來自美國卡內基梅隆大學的研究人員詳細介紹了一種新技術，它允許任何人利用人體中一種稱為膠原蛋白的主要結構蛋白對組織支架進行三維生物打印（3-D bioprinting）。這種首創的方法使得組織工程領域更接近于能夠三維打印全尺寸的成人心臟。相關研究結果發表在2019年8月2日的Science期刊上，論文標題為“3D bioprinting of collagen to rebuild components of the human heart”。

這種稱為懸浮水凝膠自由可逆嵌入（Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels, FRESH）的技術允許這些研究人員克服與現有三維生物打印方法相關的許多挑戰，并使用柔軟的生物材料實現前所未有的分辨率和保真度。

人體中的每個器官，比如心臟，是由稱為細胞外基質（ECM）的生物支架保持在一起的特化細胞構建而成的。這種ECM蛋白網絡提供了細胞執行它們的正常功能所需的結構和生化信號。然而，在此之前，人們還不可能使用傳統的生物制造方法重建這種復雜的ECM結構。

論文通訊作者、卡內基梅隆大學生物醫學工程教授、材料科學與工程教授Adam Feinberg說道，“我們所展示的是我們能夠利用細胞和膠原蛋白打印出心臟的多個真正發揮作用的部分，比如心臟瓣膜，或較小的能夠搏動的心室。通過使用人類心臟的MRI數據，我們能夠準確地重建患者特有的解剖結構，并且利用膠原蛋白和人心臟細胞進行三維生物打印。”

美國有超過4000名患者正在等待心臟移植手術，而在除美國之外的全球其他地方，也有數百萬患者需要心臟但沒有資格進入心臟移植候補名單。對器官更換的需求是巨大的，并且需要新的方法來設計能夠修復、補充或替換長期器官功能的人造器官。作為卡內基梅隆大學的生物工程器官倡議（Bioengineered Organs Initiative）的一名成員，Feinberg正在努力通過構建能夠更緊密地再現天然器官結構的新一代生物工程器官來解決這些挑戰。

論文共同第一作者、Feinberg實驗室博士生Andrew Hudson解釋道，“膠原蛋白是一種非常理想的三維打印生物材料，這是它幾乎構成了人體中的每一種組織。然而，三維打印如此困難的原因在于它在開始時是液態的，容易變形，所以如果你想在空中打印它，它只會在你的構建平臺上形成膠泥。所以我們開發了一種技術來防止它變形。”

Feinberg實驗室開發的這種FRESH三維生物打印方法允許膠原蛋白在一種由凝膠組成的支撐槽（support bath）中進行逐層地沉積，從而使得膠原蛋白在從這種支撐槽中取出之前有機會在適當位置上固化。通過使用FRESH，在三維生物打印完成后，將支撐凝膠從室溫加熱到體溫，就能夠很容易地將這種凝膠融化掉。通過這種方式，這些研究人員能夠在不損壞由膠原蛋白或細胞構成的生物打印結構的情形下移除支撐凝膠。

這種方法對于三維生物打印領域來說是非常令人興奮的，這是因為它允許膠原支架按照人體器官的規模進行生物打印。它不僅限于膠原蛋白，這是因為包括纖維蛋白、藻酸鹽和透明質酸在內的各種其他軟凝膠都能夠利用FRESH技術進行三維生物打印，這就提供了一種強大且適應性強的組織工程平臺。重要的是，這些研究人員還開發了開源設計方法，因此幾乎任何人，不論是在醫學實驗室參加科研工作，還是在學習高中科學課程，都能夠構建并獲得低成本的高性能的三維生物打印機。

展望未來，FRESH在再生醫學的許多方面都有應用，從傷口修復到器官生物工程，但是它僅是一個不斷發展的生物制造領域的一部分。Feinberg說道，“我們真正所談論的是技術的融合。不僅是我的實驗室在從事生物打印研究，而且干細胞科學、機器學習和計算機模擬領域的其他實驗室和小公司也在從事這方面的研究，此外，很多人在開發新的三維生物打印硬件和軟件。”

Feinberg補充道，“重要的是要明白還有許多年的研究尚未完成，但是我們仍然應當感到非常興奮，這是因為我們在構建功能性人體組織和器官方向取得實際進展，而這篇論文就是沿著這條道路邁出的一步。”