世界上首顆3D列印心臟問世!有血有肉會跳動

2019.04.20 by
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Advanced Science
3D人工列印心臟在實驗室中誕生,不過距離真正可以在人體上使用還有一段距離,可能連研發的研究人員都不知道有沒有可能成真,不過這項技術還有其他可以使用的領域,對醫學領域來說,是前進的一大步。

一項新的科技突破,有可能讓漫長而危險的器官移植徹底成為歷史。

4月15日,以色列特拉維夫大學在綜合科技期刊Advanced Science上發表,宣布成功用人體細胞製造出世界上首顆3D列印心臟。

這顆3D列印的人工心臟大約兩公分長,和兔子的心臟大小差不多,看起來像個精緻的小玩具。然而這顆心臟是貨真價實的人類心臟縮小版,不僅有心臟細胞,還有血管和其他支撐結構,甚至能像真實的心臟一樣跳動。

如果世界上真的存在身高30公分的迷你小人,這顆心臟理論上能支持它的一切生理活動。

最關鍵的是,這顆心臟的列印原料和黏合膠水,都來自患者的細胞,才不會在器官移植時有任何的排斥反應。而在之前,所有的人造器官都是用合成材料,或其他非來源於患者的材料製成。

器官移植手術的黎明,可能真的要到來了。

3D列印人體器官怎麼做到的?

3D列印人體器官,並不只是把細胞堆成心臟或腎臟的樣子。

雖然人類早已掌握了人工培養簡單人體組織的技術,但想要生產一顆完全匹配患者免疫、細胞、生物化學和解剖學特性的心臟,還是難上加難。

尤其是心臟內,複雜的血管網路和其上附著的肌肉組織需要嚴格符合正常心臟解剖結構,才能保證心臟的正常工作。

而3D列印技術,使從零開始重建心臟成為了可能。

根據特拉維夫大學發表的論文〈3D Printing of Personalized Thick and Perfusable Cardiac Patches and Hearts〉,列印心臟的原料來自從患者身上取出的網膜組織。網膜組織位於人類的內臟外部,像帷幔一樣保護著內臟。

之後,網膜組織會被分離成細胞和基質兩部分。

通過重新寫程式,網膜中分離出的體細胞會再次回歸可以分化的多能幹細胞。在誘導下,多能幹細胞重新分化為構成心臟主體的心肌細胞和構成血管的內皮細胞。

而分離出的基質則會被加工成水凝膠。

接下來,心肌細胞和內皮細胞將被分別置於水凝膠中培養,形成3D列印所需的材料。

在下圖中,我們可以清楚地看到用於3D列印的原材料。a是剛剛剝離出的網膜組織,而把細胞全部分離後,網膜組織留下了圖b中像鍋巴一樣的基質。圖c則是「鍋巴」做成的水凝膠,會在列印中擔任「生物油墨」的角色。

最後一步,是對患者的心臟建模。

對心臟的建模非常複雜,既要重現患者本身的心臟(畢竟世界上沒有兩顆一樣的心臟),又要靠想像力補足細節。

對患者心臟進行CT掃描後(圖a),科學家們得以識別患者心室中主要血管的3D結構和方向(圖b)。在確定了大血管後,學者們就能藉助CAD軟體,重現出在血管外的心肌尺寸和幾何形狀了。

由於CT掃描不能呈現小血管的圖像,後續還要藉助數學模型,計算心臟中的血氧濃度,將較小的血管加到基本脈管系統設計中(圖d)。

由於整個列印過程中用到的細胞和黏合劑均來自患者本身,這樣的器官不會引發任何排斥反應,堪稱「即裝即用」,安全無虞。

第一顆3D列印心臟問世,但離真正能在人體上使用還有多遠的距離?

這個問題的答案,連研究人員自己也不能確定。

特拉維夫大學分子細胞生物學與生物技術學院教授,本論文作者之一Tal Dvir在聲明中說到:「目前為止,我們的技術僅能做出微型心臟,但製造人類大小的心臟所用的技術是一樣的。」

除了尺寸問題,真實的心臟還應該能與血管相連,把血液泵送到身體各處。「雖然這顆心臟可以收縮,但我們還沒能將它與血管相連,」Dvir 教授說,「真正的心臟應該能與血管融為一體,自主工作。」

研究人員表示,下一步,他們將嘗試把3D列印心臟移植到動物身上。

然而,這項技術的目的遠不止心臟移植。

利用相同的技術在膀胱、耳朵、血管、氣管這些結構更簡單的器官和組織上完全可以重現。對於心臟局部受損的患者而言,利用3D列印技術製造的心臟補丁(cardiac patch)在不久的將來也可以看到。

「也許,在十年內,世界上最好的醫院就會配備器官列印機,讓器官和組織列印成為一項常見的手術。」Dvir教授說。

本文授權轉載自:PingWest

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