世界上首顆3D打印心臟 人類真正用上心臟還有多遠(yuǎn)？

4月15日，以色列特拉維夫大學(xué)在綜合科技期刊Advanced Science上刊文，宣布成功用人體細(xì)胞制造出世界上首顆3D打印心臟。

特拉維夫大學(xué)研究員展示人工心臟

這顆3D打印人工心臟大約兩厘米長(zhǎng)，和兔子的心臟大小差不多，看起來(lái)像個(gè)精致的小玩具。然而這顆心臟是貨真價(jià)實(shí)的人類心臟縮小版，不僅有心臟細(xì)胞，還有血管和其他支撐結(jié)構(gòu)，甚至能像真實(shí)的心臟一樣跳動(dòng)。

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

最關(guān)鍵的是，這顆心臟的“打印原料”和“粘合膠水”，均來(lái)自患者本人體細(xì)胞，不會(huì)在進(jìn)行器官移植時(shí)產(chǎn)生任何的排異反應(yīng)。而在此前，所有的人造器官都是用合成材料，或其他非來(lái)源于患者的材料制成。

器官移植手術(shù)的黎明，可能真的要到來(lái)了。

像打印模型一樣，打印一顆心臟

3D打印人體器官，并不只是把一堆細(xì)胞堆成心臟或腎臟的樣子那么簡(jiǎn)單。

看起來(lái)確實(shí)簡(jiǎn)單

盡管人類早已掌握了人工培養(yǎng)簡(jiǎn)單人體組織的技術(shù)，但想要生產(chǎn)一顆完全匹配患者的免疫學(xué)、細(xì)胞、生物化學(xué)和解剖學(xué)特性的心臟，還是難上加難。尤其是在心臟中，復(fù)雜的血管網(wǎng)絡(luò)和其上附著的肌肉組織需要嚴(yán)格符合正常心臟解剖結(jié)構(gòu)，才能保證心臟的正常工作。

而3D打印技術(shù)的發(fā)展，使從零開始重建心臟成為了可能。

整顆心臟的打印過(guò)程

根據(jù)特拉維夫大學(xué)發(fā)表的論文(3D Printing of Personalized Thick and Perfusable Cardiac Patches and Hearts)，打印心臟的原料來(lái)自從患者身上取出的網(wǎng)膜組織。網(wǎng)膜組織位于人類的內(nèi)臟外部，像帷幔一樣保護(hù)著內(nèi)臟。

之后，網(wǎng)膜組織會(huì)被分離成細(xì)胞和基質(zhì)兩部分。

通過(guò)重新編程，網(wǎng)膜中分離出的體細(xì)胞會(huì)再次回歸可以分化的多能干細(xì)胞。在誘導(dǎo)下，多能干細(xì)胞重新分化為構(gòu)成心臟主體的心肌細(xì)胞和構(gòu)成血管的內(nèi)皮細(xì)胞。

而分離出的基質(zhì)則會(huì)被加工成水凝膠。

打印過(guò)程示意圖

接下來(lái)，心肌細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞將被分別置于水凝膠中培養(yǎng)，形成3D打印所需的打印材料。

在下圖中，我們可以清楚地看到用于3D打印的原材料。a是剛剛剝離出的網(wǎng)膜組織，而把細(xì)胞全部分離后，網(wǎng)膜組織留下了圖b中像鍋巴一樣的基質(zhì)。圖c則是“鍋巴”做成的水凝膠，會(huì)在打印中擔(dān)任“生物油墨”的角色。

慎點(diǎn)大圖

最后一步，是對(duì)患者的心臟建模。

對(duì)心臟的建模非常復(fù)雜，既要重現(xiàn)患者本身的心臟形態(tài)(畢竟世界上沒(méi)有兩顆一樣的心臟)，又要靠想象力補(bǔ)足細(xì)節(jié)。

對(duì)患者心臟進(jìn)行CT掃描后(圖a)，科學(xué)家們得以識(shí)別患者心室中主要血管的3D結(jié)構(gòu)和方向(圖b)。在確定了大血管后，學(xué)者們就能借助CAD軟件，重現(xiàn)出貼在血管外的心肌尺寸和幾何形狀了。但由于CT掃描不能呈現(xiàn)小血管的圖像，后續(xù)還要借助數(shù)學(xué)模型，計(jì)算心臟中的血氧濃度，將較小的血管添加到基本脈管系統(tǒng)設(shè)計(jì)中(圖d)。

由于整個(gè)打印過(guò)程中用到的細(xì)胞和“粘合劑”均來(lái)自患者本身，這樣的器官不會(huì)引發(fā)任何排異反應(yīng)，堪稱“即裝即用”，安全無(wú)虞。

挑戰(zhàn)仍然存在

第一顆3D打印心臟已經(jīng)獲得了成功，但離人類真正用上心臟還有多遠(yuǎn)?

這個(gè)問(wèn)題的答案，連研究人員自己也不能確定。

特拉維夫大學(xué)分子細(xì)胞生物學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院教授，本論文作者之一Tal Dvir在聲明中說(shuō)到：“目前為止，我們的技術(shù)僅能做出微型心臟，但制造人類大小的心臟所用的技術(shù)是一樣的。”

除了尺寸問(wèn)題，真實(shí)的心臟還應(yīng)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(méi)能將它與血管相連，”Dvir教授說(shuō)，“真正的心臟應(yīng)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打印心臟移植到動(dòng)物身上。

然而，我們能從這項(xiàng)技術(shù)身上獲得的其實(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止遙遙無(wú)期的心臟移植。

利用相同的技術(shù)，膀胱、耳朵、血管、氣管這些結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單的器官和組織，完全可以重現(xiàn)。對(duì)于心臟局部受損的患者而言，利用3D打印技術(shù)制造的心臟補(bǔ)丁(cardiac patch)也可以被提上日程了。

“也許，在十年內(nèi)，世界上最好的醫(yī)院就會(huì)配備器官打印機(jī)，讓器官和組織打印成為一項(xiàng)常規(guī)操作。”Dvir教授說(shuō)。