【生物】3D打印心脏为器官移植带来希望

墨玫人工智能 2019/06/05 23:38

以色列科学家利用患者自身组织作为“油墨”,打印出樱桃大小、包含血管的“活”心脏。项目负责人预计,器官打印设备有望在10年后问世。

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长期以来,3D打印器官概念一直被吹嘘为有可能解决器官移植等待时间漫长的问题。如今,以色列的科学家们利用患者自身组织作为“油墨”,打印出微缩的“活”心脏,从而为这种构想注入新鲜血液。

这个微型器官(大约一颗樱桃大小,而成人心脏为拳头大小)从“血管化”的意义上来说是活的,这意味着它包含血管。它表明,生物打印不仅可以重建某个器官的结构,还可以重建其运转所需的管道系统。

领导此项研究的特拉维夫大学(Tel Aviv University)教授塔尔•德维尔(Tal Dvir)表示:“这是人类第一次成功设计并打印出具备细胞、血管、心室和心房的完整心脏。”这个成果上月在《高级科学》(Advanced Science)期刊发布。怀疑人士指出,这颗小心脏无法泵血,功能完整的生物打印器官仍是一个遥远的梦。

第一步是创建一款合适的生物油墨。科学家们对脂肪组织进行了活检,然后将其分离成细胞和非细胞成分。细胞被改编还原为多能干细胞(功能最多样的干细胞),然后经过化学促进,形成心肌细胞和内皮细胞(后者形成血管的内壁)。然后把这些与利用非细胞残留物(包括胶原蛋白)形成的“支架”凝胶混合。

在对患者心脏进行的电脑断层扫描(CT)的引导下,研究人员一层层打印这种生物油墨,以构建与患者个体解剖学匹配的几毫米厚的所谓“心脏补丁”。它们表现出了收缩能力。

打印更大的结构需要支撑介质,在很大程度上就像果冻在凝固时需要一个保持形状的模子。在这种情况下,一种缓冲凝胶用来在打印过程中包裹结构。化学预处理意味着之后会分离,留下被打印出来的小心脏。

伦敦大学学院(University College London)研究员克劳迪奥•卡佩利(Claudio Capelli)表示,这项工作对于定制身体器官是个好兆头。他利用对儿童的临床扫描打印其心脏的3D塑料模型。这些模型包含2000层,可以帮助伦敦大奥蒙德街医院(Great Ormond Street Hospital)的外科医生规划复杂的外科手术。

“这带来了创建可灌注的心脏补丁的可能性,”他表示,“如果血液可以流动,那么这些补丁就能‘活’。你可以利用你自己的组织而不是人工或动物材料,来替换心脏零件,例如瓣膜或冠状动脉。”利用患者自身组织的好处在于排异反应会降至最低,这是器官移植的严重但可以治疗的并发症。

卡佩利医生警告称,做出整个心脏是不同数量级的挑战,因为心脏运转的方式仍很神秘:“我们还不知道心脏的完整算法,例如产生电活动的传导系统如何发展。”

另一个困难是图像分辨率。绘制更精细的心脏结构需要活体患者接受无法承受的高剂量辐射。因此,为达到那种精度,卡佩利正与他在伦敦大学学院的同事安德鲁•库克(Andrew Cook)合作,对捐赠的心脏进行高剂量辐射。

最终而言,人造器官可以用于新药筛选,但最引人注目的应用是器官移植。科学家们已经能够打印皮肤、软骨和骨;如今他们正竞相打印肾脏、肝脏、心脏和角膜。需求无疑是存在的:英国大约有6000人在移植等候名单上。

德维尔教授预测,器官打印设备问世可能只需要10年。卡佩利医生则更为谨慎:“这项工作是强大的,但要创建一颗跳动的功能完整的心脏还有很长的路要走。”

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编辑:Zero

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