卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種生物3D膠原蛋白技術(shù)，可以構(gòu)造出人類心臟的全部功能部件。（圖：卡內(nèi)基梅隆大學(xué)工程學(xué)院）



撰文 | 孫一丹 湯佩蘭

8月2日，美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué) Adam Feinberg 領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》（Science）刊發(fā)的一項(xiàng)研究中宣布，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出 FRESH2.0 打印系統(tǒng)，并且通過該技術(shù)成功地獲得具有收縮能力的左心室。

“這是生物3D打印技術(shù)對(duì)再生醫(yī)學(xué)和器官再造科學(xué)發(fā)展的一個(gè)重大貢獻(xiàn)。” 清華大學(xué)機(jī)械工程系教授孫偉對(duì)《知識(shí)分子》表示，構(gòu)建內(nèi)含血管通道的功能性心肌組織，一直是心肌組織工程的難點(diǎn)。這次創(chuàng)新證明 3D 打印可以構(gòu)建具有微通道的心肌組織，通過皮下培養(yǎng)形成血管內(nèi)通道，在外界刺激下實(shí)現(xiàn)功能收縮。

“3D打印” 最初是通過粘合劑材料作為 “墨水” 逐層堆積獲得三維物體，近年來隨著技術(shù)的發(fā)展和 “墨水” 種類的豐富，3D 打印技術(shù)被應(yīng)用于越來越多的領(lǐng)域：小到服裝玩具，大到汽車和航空航天材料。利用細(xì)胞、生長因子等生物活性材料作為 “墨水” 在水凝膠中打印的 “3D 生物打印” 在研發(fā)藥物、制造器官中開始嶄露頭角，已有實(shí)驗(yàn)成功運(yùn)用 3D 生物打印軟骨組織修復(fù)膝關(guān)節(jié)軟骨缺陷。但是目前為止仍然無法通過 3D 打印技術(shù)構(gòu)建具有功能的整個(gè)器官。

2019年4月，特拉維夫大學(xué)（TAU）的 Tal Dvir 團(tuán)隊(duì)利用由患者組織處理獲得的心肌細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞，在加入細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的水凝膠中制造出了櫻桃大小的全球首例3D打印出完整結(jié)構(gòu)的心臟。不過，孫偉評(píng)論稱，該心臟 “貌似不等于神似”，并不具備心臟的生理功能。

在最新的這一研究中，Adam Feinberg 團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出 FRESH2.0 打印系統(tǒng)，采用心肌細(xì)胞和膠原蛋白雙材料的印刷策略，打印出了一個(gè)左心室模型，并進(jìn)一步分析了該模型的功能，觀察到了心率失常相關(guān)的電生理行為和心室收縮現(xiàn)象。

FRESH2.0 打印系統(tǒng)是基于膠原蛋白的成功利用而開發(fā)的。膠原蛋白在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中起著維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)、提供粘附、傳導(dǎo)信號(hào)等作用，是作為 “支架” 的理想材料。

研究者改良了生物材料在水凝膠中的組裝機(jī)制——利用酸堿度變化驅(qū)動(dòng)生物材料的自組裝，與傳統(tǒng)的熱驅(qū)動(dòng)相比，酸堿度驅(qū)動(dòng)組裝解決了傳統(tǒng)水凝膠柔軟、支持力度不夠的問題，允許使用更強(qiáng)濃度的膠原作為墨水從而增強(qiáng)機(jī)械性能，更有利于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造。不僅如此，研究者改良了凝膠微粒的生產(chǎn)工藝，減少了凝膠微粒的直徑和分散程度，并且將凝膠微粒形狀調(diào)整成了均勻球狀形態(tài)，從而將印刷的分辨率提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)。這兩項(xiàng)改進(jìn)實(shí)現(xiàn)了在水凝膠中印刷精準(zhǔn)膠原蛋白。

為了證明 FRESH2.0 打印系統(tǒng)的功能，研究者先將印刷物植入小鼠皮下，結(jié)果顯示其能夠生成完整的血管網(wǎng)。該系統(tǒng)又打印出了具有收縮能力的左心室和能夠承載生理壓力的三尖瓣，這表明膠原結(jié)構(gòu)在人體中的機(jī)械完整性。通過灌注，驗(yàn)證了血管網(wǎng)的暢通性。最后打印出新生兒比例的人體心臟膠原模型，由此證明 FRESH2.0 打印大型結(jié)構(gòu)能力。

那么，這是否證明 FRESH2.0 可以打印功能齊全的心臟了呢？Adam Feinberg 表示目前仍有許多挑戰(zhàn)需要克服，例如打印所需的數(shù)十億細(xì)胞。目前，F(xiàn)RESH2.0 作為打印系統(tǒng)，有能力構(gòu)建模型，有潛力成為研究器官結(jié)構(gòu)、機(jī)械強(qiáng)度和生物學(xué)特性的強(qiáng)有力工具。

對(duì) 3D 打印心臟的未來，孫偉認(rèn)為，“我們也許永遠(yuǎn)不要期待用 3D 打印可以直接打印出具有生理功能的心臟。” 為何這么說？

孫偉補(bǔ)充說，隨著生物 3D 打印技術(shù)的發(fā)展，新穎生物墨水的使用，干細(xì)胞和細(xì)胞生物學(xué)的突破，有可能用生物 3D 打印技術(shù)打印出心臟再生所需的生物學(xué)模型，然后在此基礎(chǔ)上，通過細(xì)胞生物學(xué)和發(fā)育生物學(xué)的交叉融合，最終實(shí)現(xiàn)心臟再造。

“我樂觀估計(jì)我們離這一天大概還需要15年的努力。” 孫偉最后預(yù)測道。



參考資料：

1. Lee, A. etal., 3D bioprinting of collagen to rebuild components of the human heart. Science 365, no. 6452 (2019): 482-487

2. Hong, N. etal., 3d Bioprinting and Its in Vivo Applications. Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials 106, no. 1 (2018): 444-59.

3. Noor, N. etal., 3d Printing of Personalized Thick and Perfusable Cardiac Patches and Hearts. Advanced Science 6, no. 11(2019): 1900344.