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4月15日,以色列特拉维夫大学在综合科技期刊advanced science上刊文,宣布成功用人体细胞制造出世界上首颗3d打印心脏。

特拉维夫大学研究员展示人工心脏

这颗3d打印人工心脏大约两厘米长,和兔子的心脏大小差不多,看起来像个精致的小玩具。然而这颗心脏是货真价实的人类心脏缩小版,不仅有心脏细胞,还有血管和其他支撑结构,甚至能像真实的心脏一样跳动。

如果世界上真的存在身高30厘米的迷你小人儿,这颗心脏理论上能支持它的一切生理活动。

最关键的是,这颗心脏的“打印原料”和“粘合胶水”,均来自患者本人体细胞,不会在进行器官移植时产生任何的排异反应。而在此前,所有的人造器官都是用合成材料,或其他非来源于患者的材料制成。

器官移植手术的黎明,可能真的要到来了。

像打印模型一样,打印一颗心脏

3d打印人体器官,并不只是把一堆细胞堆成心脏或肾脏的样子那么简单。

看起来确实简单

尽管人类早已掌握了人工培养简单人体组织的技术,但想要生产一颗完全匹配患者的免疫学、细胞、生物化学和解剖学特性的心脏,还是难上加难。尤其是在心脏中,复杂的血管网络和其上附着的肌肉组织需要严格符合正常心脏解剖结构,才能保证心脏的正常工作。

而3d打印技术的发展,使从零开始重建心脏成为了可能。

整颗心脏的打印过程

根据特拉维夫大学发表的论文(3d printing of personalized thick and perfusable cardiac patches and hearts),打印心脏的原料来自从患者身上取出的网膜组织。网膜组织位于人类的内脏外部,像帷幔一样保护着内脏。

之后,网膜组织会被分离成细胞和基质两部分。

通过重新编程,网膜中分离出的体细胞会再次回归可以分化的多能干细胞。在诱导下,多能干细胞重新分化为构成心脏主体的心肌细胞和构成血管的内皮细胞。

而分离出的基质则会被加工成水凝胶。

打印过程示意图

接下来,心肌细胞和内皮细胞将被分别置于水凝胶中培养,形成3d打印所需的打印材料。

在下图中,我们可以清楚地看到用于3d打印的原材料。a是刚刚剥离出的网膜组织,而把细胞全部分离后,网膜组织留下了图b中像锅巴一样的基质。图c则是“锅巴”做成的水凝胶,会在打印中担任“生物油墨”的角色。

慎点大图

最后一步,是对患者的心脏建模。

对心脏的建模非常复杂,既要重现患者本身的心脏形态(毕竟世界上没有两颗一样的心脏),又要靠想象力补足细节。

对患者心脏进行ct扫描后(图a),科学家们得以识别患者心室中主要血管的3d结构和方向(图b)。在确定了大血管后,学者们就能借助cad软件,重现出贴在血管外的心肌尺寸和几何形状了。但由于ct扫描不能呈现小血管的图像,后续还要借助数学模型,计算心脏中的血氧浓度,将较小的血管添加到基本脉管系统设计中(图d)。

由于整个打印过程中用到的细胞和“粘合剂”均来自患者本身,这样的器官不会引发任何排异反应,堪称“即装即用”,安全无虞。

挑战仍然存在

第一颗3d打印心脏已经获得了成功,但离人类真正用上心脏还有多远?

这个问题的答案,连研究人员自己也不能确定。

特拉维夫大学分子细胞生物学与生物技术学院教授,本论文作者之一tal dvir在声明中说到:“目前为止,我们的技术仅能做出微型心脏,但制造人类大小的心脏所用的技术是一样的。”

除了尺寸问题,真实的心脏还应该能与血管相连,把血液泵送到身体各处。“虽然这颗心脏可以收缩,但我们还没能将它与血管相连,”dvir教授说,“真正的心脏应该能与血管融为一体,自主工作。”

研究人员表示,下一步,他们将尝试把3d打印心脏移植到动物身上。

然而,我们能从这项技术身上获得的其实远远不止遥遥无期的心脏移植。

利用相同的技术,膀胱、耳朵、血管、气管这些结构更简单的器官和组织,完全可以重现。对于心脏局部受损的患者而言,利用3d打印技术制造的心脏补丁(cardiac patch)也可以被提上日程了。

“也许,在十年内,世界上最好的医院就会配备器官打印机,让器官和组织打印成为一项常规操作。”dvir教授说。

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