【解析】3D打印技術(shù)在心血管組織工程中的研究進(jìn)展

２０世紀(jì)初期全球心血管病死亡率占總死亡率的１０％以下，但到２１世紀(jì)初期，心血管病死亡率大大升高，占發(fā)達(dá)國家總死亡率的近５０％，發(fā)展中國家的２５％。如何降低心血管疾病的死亡率是研究者們關(guān)注的焦點(diǎn)。最近，３Ｄ打印技術(shù)在組織工程領(lǐng)域中獲得了廣泛的關(guān)注，為組織工程的發(fā)展提供了新的思路。

與傳統(tǒng)的組織工程學(xué)相比，３Ｄ打印技術(shù)具有高精度、構(gòu)建速度快、可按需制造以滿足個(gè)體化醫(yī)學(xué)治療的需求、排斥反應(yīng)低等優(yōu)勢(shì)。目前，３Ｄ打印技術(shù)已成功用于實(shí)驗(yàn)研究，并取得了一些成果。本文主要闡述３Ｄ打印技術(shù)在心血管組織工程（心肌組織、心臟瓣膜、冠狀動(dòng)脈）中的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展。

心肌組織
當(dāng)心肌組織受到損害時(shí)，由于心肌不能進(jìn)行有效的舒縮 以及瘢痕組織形成，最終導(dǎo)致心肌組織缺血壞死和患者死亡。傳統(tǒng)組織工程學(xué)方法是細(xì)胞療法  ，即通過在受損的心 肌部位植入細(xì)胞進(jìn)行修復(fù)。但這種方法的問題在于植入細(xì)胞是否能存活。３Ｄ打印技術(shù)可以解決這個(gè)問題。Ｇａｅｔａｎｉ 等應(yīng)用３Ｄ生物打印技術(shù)打印了含有心臟源性心肌祖細(xì)胞 和海藻酸鈉的三維結(jié)構(gòu)，經(jīng)過７天的培養(yǎng)，兩種細(xì) 胞的存活率分別為９２％和８９％，且ｈＣＭＰＣｓ保留了心臟譜系。

另外，３Ｄ培養(yǎng)環(huán)境提高了轉(zhuǎn)錄因子和蛋白質(zhì)基因表達(dá)，同時(shí)人工基底膜侵襲實(shí)驗(yàn)證實(shí)了祖細(xì)胞可以從藻酸鹽基質(zhì)遷移，表明當(dāng)此結(jié)構(gòu)和心肌融合后祖細(xì)胞可以遷移到心肌受損部位進(jìn)行修復(fù)。Ｇａｅｂｅｌ  等應(yīng)用激光生物打印技術(shù)打印 出含人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞和人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的聚酯聚氨酯脲心臟補(bǔ)片，隨后將補(bǔ)片種植到大鼠的心肌梗死區(qū)。８周后行左心導(dǎo)管檢查發(fā)現(xiàn)，心肌梗死區(qū)血管形成明顯增加且心肌功能得到了改善。這對(duì)于心肌梗死后心肌功能恢復(fù)的研究是一個(gè)重大突破。Ｐａｔｉ等  使用新穎的脫細(xì)胞外基質(zhì)生物油墨進(jìn)行３Ｄ生物打印，打印出的三維結(jié)構(gòu)可以為細(xì)胞生長(zhǎng)提供理想的微環(huán)境。隨后他們將老鼠的成肌細(xì)胞封裝到脫細(xì)胞心臟基質(zhì)生物油墨結(jié)構(gòu)中，經(jīng)過４天的培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)，成肌細(xì)胞持續(xù)表達(dá)心肌特異性基因，且至少持續(xù)表達(dá)１４天。

另外，脫細(xì)胞心臟基質(zhì)生物油墨結(jié)構(gòu)引起心肌肌球蛋白重鏈的表達(dá)要高于膠原蛋白結(jié)構(gòu)。目前，雖然３Ｄ生物打印技術(shù)構(gòu)建的多孔的三維結(jié)構(gòu)在保持細(xì)胞活力方面取得了一些突破，但是否能使受損心肌組織功能性再生及恢復(fù)舒縮來維持泵血功能，尚需今后進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究。

心臟瓣膜
目前，心臟瓣膜病的患者在接受心臟瓣膜置換手術(shù)時(shí)只有兩種選擇：
（１）使用人工機(jī)械心臟瓣膜；
（２）使用生物心臟瓣膜  。

相比生物瓣膜，人工機(jī)械瓣膜的優(yōu)勢(shì)是機(jī)械性能強(qiáng) 和使用壽命長(zhǎng)，但需要長(zhǎng)期的抗凝治療。生物瓣膜不需要抗凝治療，但常會(huì)引起鈣化或非鈣化性結(jié)構(gòu)破壞且使用壽命 要比人工機(jī)械瓣膜短  。因此，人工機(jī)械瓣膜和生物瓣膜都 存在一些相容性、耐久性以及生長(zhǎng)潛力等問題。構(gòu)建組織工程心臟瓣膜的三大要素是種子細(xì)胞、支架材料以及細(xì)胞種植  。

組織工程心臟瓣膜作為一個(gè)活體器官，避免了機(jī)械瓣 膜和生物瓣膜置入后的缺點(diǎn)和不足，其生長(zhǎng)、修復(fù)和重建能力與正常人體瓣膜的十分相似。 最近，利用３Ｄ生物打印技術(shù)生成瓣膜已經(jīng)成為目前瓣膜領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。Ｄｕａｎ等  利用生物打印技術(shù)打印出解 剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜的主動(dòng)脈瓣，其由含主動(dòng)脈竇平滑肌細(xì)胞和主動(dòng)脈瓣葉間質(zhì)細(xì)胞）的海藻酸鈉或明膠組成。經(jīng)過７天的培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)，兩種細(xì)胞的存活率分別為（８１暢４±３暢４）％和（８３暢２±４暢０）％，同時(shí)兩種細(xì)胞都表達(dá)了α－平滑肌肌動(dòng)蛋白和波形蛋白。這些研究結(jié)果表明，利用３Ｄ生物打印技術(shù)打印主動(dòng)脈瓣是可行的，且最終可應(yīng)用于在臨床。

隨后，Ｄｕａｎ等  再次利用生物打印技術(shù)打印了三尖瓣瓣膜， 由混合水凝膠以及主動(dòng)脈瓣間質(zhì)細(xì)胞組成，研究發(fā)現(xiàn)，增加混合水凝膠濃度會(huì)導(dǎo)致較低的硬度和較高的黏度，促進(jìn)細(xì)胞擴(kuò)散以及更好保持ｈＡＶＩＣｓ的成纖維表型。封裝在生物打印的心臟瓣膜內(nèi)的ｈＡＶＩＣｓ保持高活力，并通過沉積的膠原蛋白和黏多糖改變初始的基質(zhì)。這些研究結(jié)果將加速對(duì)新生瓣膜置換研究的進(jìn)展，為未來臨床應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。雖然組織工程心臟瓣膜具有免疫原性低，無細(xì)胞毒性，較好的仿生性、耐久性和機(jī)械強(qiáng)度等多方面的優(yōu)勢(shì)，但目前還存在許多問題需要解決，如種子細(xì)胞的選擇，種子細(xì)胞的快速擴(kuò)增，增加細(xì)胞黏附 力，種子細(xì)胞最佳數(shù)目和比例，模擬體內(nèi)應(yīng)力和微環(huán)境構(gòu)建組織工程心臟瓣膜等  。

冠狀動(dòng)脈
冠狀動(dòng)脈疾病是一種常見的疾病，在歐美國家發(fā)病率最高，也是死亡的首要原因。冠狀動(dòng)脈疾病的癥狀可通過改變生活方式、藥物治療、冠狀動(dòng)脈腔內(nèi)成形術(shù)或冠狀動(dòng)脈旁路移植術(shù)進(jìn)行控制。對(duì)于復(fù)雜的多支冠狀動(dòng)脈病變，冠狀動(dòng)脈旁路移植術(shù)是臨床常規(guī)治療方法。但術(shù)后很多患者出現(xiàn)血管狹窄導(dǎo)致手術(shù)失敗，且約３０％的患者由于沒有合適的自體血管導(dǎo)致無法進(jìn)行手術(shù)治療  。血管組織工程為冠狀動(dòng)脈 旁路移植術(shù)提供了新的思路。理想的組織工程血管應(yīng)該是內(nèi)皮化、不形成血栓、具有和天然血管相當(dāng)?shù)纳�物力學(xué)特征。

目前，３Ｄ打印技術(shù)在生成仿生血管方面很有研究?jī)r(jià)值，因?yàn)槠洳粌H可以根據(jù)特定的患者使用合成生物材料來生成特定的支架，而且可以將內(nèi)皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞或間充質(zhì)干細(xì)胞與生物相容性材料進(jìn)行一起打印。Ｗｕ等  展示了全 方位打�。常姆律�微血管網(wǎng)絡(luò)。他們將易揮發(fā)的油墨沉積到固化凝膠儲(chǔ)層里來形成分層、分支網(wǎng)絡(luò)，隨后通過液化除去油墨后，在凝膠儲(chǔ)層里獲得所需的微血管網(wǎng)絡(luò)。但是，這種研究并沒有將細(xì)胞融入到構(gòu)建的微血管網(wǎng)絡(luò)中。Ｍｉｌｌｅｒ等  通過３Ｄ打印技術(shù)打印了柱形血管網(wǎng)絡(luò)，由碳水化合物 玻璃和圓柱通道兩旁的內(nèi)皮細(xì)胞組成。

經(jīng)過９天的培養(yǎng)，切面顯像顯示血管腔被內(nèi)皮細(xì)胞包繞著，且內(nèi)皮細(xì)胞形成單一或多細(xì)胞芽。這項(xiàng)研究證實(shí)了血管化的固體組織的３個(gè)關(guān)鍵部件：血管腔、內(nèi)皮細(xì)胞、基質(zhì)和駐留在間質(zhì)區(qū)的細(xì)胞。Ｌｉ等 利用雙頭噴嘴打印技術(shù)打印了水凝膠血管網(wǎng)絡(luò)。他們 將含有脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞的水凝膠形成網(wǎng)絡(luò)框架，同時(shí)將含有肝細(xì)胞的水凝膠放置在網(wǎng)絡(luò)框架的周圍。組裝后，該結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且ＡＤＳＣｓ被誘導(dǎo)分化成為類似的內(nèi)皮細(xì)胞。而且，在血管網(wǎng)絡(luò)外圍的ＡＤＳＣｓ被證實(shí)了具有一些類似內(nèi)皮細(xì)胞的特質(zhì)。這些研究成果都證實(shí)了利用３Ｄ打印技術(shù)可以生成管狀血管。但是， 通過３Ｄ打印技術(shù)打印出理想的人工冠狀動(dòng)脈仍面臨以下３個(gè)挑戰(zhàn)：

（１）自體血管有３層，每層有不同的細(xì)胞成分、剛度、和功能，打印的血管很難模擬每層的結(jié)構(gòu)和功能。
（２）通過３Ｄ打印技術(shù)打印出的組織工程化血管幾乎都是微尺度的。
（３）存在于人工冠狀動(dòng)脈內(nèi)的細(xì)胞必須通過不間斷的供應(yīng)氧氣和其他營養(yǎng)物質(zhì)才可以存活。這些問題都需要日后進(jìn)一步研究。

３Ｄ打印技術(shù)在心血管組織工程中的運(yùn)用已得到廣泛的認(rèn)可。但當(dāng)前的研究正處于初始階段，仍有許多問題需要解決。首先，由于水凝膠的固有屬性，且用于打印的水凝膠必須保持低黏度以防止噴嘴堵塞，所以打印出的結(jié)構(gòu)沒有足夠的機(jī)械強(qiáng)度來保持其形狀和承受外部壓力  。因此，選擇 合適的水凝膠材料（機(jī)械性能、擴(kuò)散系數(shù)、生物相容性、兼容性）是生物打印技術(shù)獲得長(zhǎng)期成功所必需的。其次，３Ｄ打印技術(shù)打印出的包括多個(gè)細(xì)胞類型的組織和器官的復(fù)雜結(jié)構(gòu)沒有高的分辨率，需要進(jìn)一步提高。最后，工程化組織的血管化是一個(gè)關(guān)鍵的問題。許多研究表明，新生血管可以在二維結(jié)構(gòu)中形成，而在三維結(jié)構(gòu)中新生血管很難形成  。 雖然，３Ｄ打印技術(shù)在組織血管化方面取得一些進(jìn)展，但制造完全血管化組織結(jié)構(gòu)供臨床應(yīng)用仍需要進(jìn)一步的研究。隨著３Ｄ打印技術(shù)不斷的發(fā)展以及心血管組織工程的深入研究，人工心血管組織有望普遍應(yīng)用于心血管疾病的治療中，為人類戰(zhàn)勝心血管疾病打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

編輯：南極熊
作者：王堯 楊俊峰 史宏?duì)N