研究人員使用干細胞3D打印心臟，新的技術已經遠超普通人的理解
時間：2021-09-24 17:52 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
據世界心臟聯盟統計，在全世界范圍內，每死亡3人，就有1人的死因是心血管病癥。每年，心血管疾病死亡人數占全球死亡總人數的29%，中國心血管病患者2.9億，每5例死亡者中有2例死于心血管病。在一項開創性的新研究中，明尼蘇達大學的研究人員在實驗室使用干細胞，打印出了一種功能良好的厘米級人體心臟泵。這一發現可能對研究心臟病產生重大影響，這項研究發表在美國心臟協會的出版物《流通研究》中。
短期內，這項研究可以幫助研究人員更好的了解心臟的功能機制，幫助尋找應用心臟疾病的藥物或手術方法；長期來看，隨著干細胞再生醫學的完善，研究人員甚至能使用干細胞打印出合適的人類心臟，替換原本損傷的心臟。過去，研究人員也曾嘗試用3D打印心肌細胞，使用的是人體多能干細胞（多能干細胞是指有潛力發展成體內任何類型細胞的細胞）。研究人員將這些干細胞重新編程為心肌細胞，然后使用專門的3D打印機打印他們在一個三維結構，稱為細胞外基質。問題是，科學家永遠無法達到心肌細胞真正發揮作用的臨界細胞密度。
盡管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的免疫學、細胞、生物化學和解剖學特性的心臟，還是難上加難。尤其是在心臟中，復雜的血管網絡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。
而這項新的研究中，明尼蘇達大學的研究人員改變了這一過程，并取得了成效。
“起初，我們嘗試了3D打印心肌細胞，結果失敗了，”這項研究的首席研究員、明尼蘇達大學科學與工程學院生物醫學工程系主任布倫達·奧格爾(BrendaOgle)說，“因此，憑借我們團隊的專業知識，潛心研究干細胞和3D打印技術，我們決定嘗試一種新的方法。
我們優化了由細胞外基質蛋白制成的專用“油墨”，將油墨與干細胞結合，并利用油墨+干細胞進行三維打印。干細胞首先擴展到結構中的高細胞密度，然后我們將其分化為心肌細胞。研究小組發現，在不到一個月的時間內，他們就能第一次實現高細胞密度的目標，讓細胞像人的心臟一樣一起跳動。明尼蘇達大學干細胞研究所的主任奧格爾回憶說：“當時經過多年的研究，我們也曾一度準備放棄，但是我的兩個生物醫學工程博士，莫莉庫普弗和林偉漢，建議我們嘗試先打印干細胞，我們決定做最后一次嘗試。當我們看著實驗室里的盤子時，我簡直不敢相信，看到整個“打印物”自發地、同步地收縮，并且能夠自由地移動。”
奧格爾表示，這是心臟研究的一個關鍵進展，因為這項新的研究顯示了他們如何能夠以一種細胞組織和協同作用的方式打印出心肌細胞。因為這些細胞是相互分化的，所以更像干細胞在體內生長，然后成功生長為心肌細胞。
這次研究制作的心臟模型長約1.5厘米，與19年世界首個打印的心臟是不一樣的，這是專為進一步研究而設計的適合于小鼠腹腔的心臟模型。奧格爾說：“我們現在有了一個模型來跟蹤和追蹤在心臟結構中細胞和分子水平上正在發生的事情，它開始越來越接近人的心臟。我們可以在模型中引入疾病和損傷，然后研究藥物和其他療法的效果。”使用干細胞打印心臟似乎是一個簡單的概念，但如何實現這一點是相當復雜的，現在研究人員看到了其中的潛力，相信接下來的研究中，研究人員將會有更大的收獲。
短期內，這項研究可以幫助研究人員更好的了解心臟的功能機制，幫助尋找應用心臟疾病的藥物或手術方法；長期來看，隨著干細胞再生醫學的完善，研究人員甚至能使用干細胞打印出合適的人類心臟，替換原本損傷的心臟。過去，研究人員也曾嘗試用3D打印心肌細胞，使用的是人體多能干細胞（多能干細胞是指有潛力發展成體內任何類型細胞的細胞）。研究人員將這些干細胞重新編程為心肌細胞，然后使用專門的3D打印機打印他們在一個三維結構，稱為細胞外基質。問題是，科學家永遠無法達到心肌細胞真正發揮作用的臨界細胞密度。
盡管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的免疫學、細胞、生物化學和解剖學特性的心臟，還是難上加難。尤其是在心臟中，復雜的血管網絡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。
而這項新的研究中，明尼蘇達大學的研究人員改變了這一過程，并取得了成效。
“起初，我們嘗試了3D打印心肌細胞，結果失敗了，”這項研究的首席研究員、明尼蘇達大學科學與工程學院生物醫學工程系主任布倫達·奧格爾(BrendaOgle)說，“因此，憑借我們團隊的專業知識，潛心研究干細胞和3D打印技術，我們決定嘗試一種新的方法。
我們優化了由細胞外基質蛋白制成的專用“油墨”，將油墨與干細胞結合，并利用油墨+干細胞進行三維打印。干細胞首先擴展到結構中的高細胞密度，然后我們將其分化為心肌細胞。研究小組發現，在不到一個月的時間內，他們就能第一次實現高細胞密度的目標，讓細胞像人的心臟一樣一起跳動。明尼蘇達大學干細胞研究所的主任奧格爾回憶說：“當時經過多年的研究，我們也曾一度準備放棄，但是我的兩個生物醫學工程博士，莫莉庫普弗和林偉漢，建議我們嘗試先打印干細胞，我們決定做最后一次嘗試。當我們看著實驗室里的盤子時，我簡直不敢相信，看到整個“打印物”自發地、同步地收縮，并且能夠自由地移動。”
奧格爾表示，這是心臟研究的一個關鍵進展，因為這項新的研究顯示了他們如何能夠以一種細胞組織和協同作用的方式打印出心肌細胞。因為這些細胞是相互分化的，所以更像干細胞在體內生長，然后成功生長為心肌細胞。
這次研究制作的心臟模型長約1.5厘米，與19年世界首個打印的心臟是不一樣的，這是專為進一步研究而設計的適合于小鼠腹腔的心臟模型。奧格爾說：“我們現在有了一個模型來跟蹤和追蹤在心臟結構中細胞和分子水平上正在發生的事情，它開始越來越接近人的心臟。我們可以在模型中引入疾病和損傷，然后研究藥物和其他療法的效果。”使用干細胞打印心臟似乎是一個簡單的概念，但如何實現這一點是相當復雜的，現在研究人員看到了其中的潛力，相信接下來的研究中，研究人員將會有更大的收獲。
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