斯坦福大學(xué)如何加快3D打印心臟？

來源：機(jī)器之心

使用先進(jìn)的 3D 打印技術(shù)，斯坦福大學(xué)研究者將由活細(xì)胞制成的糊狀物轉(zhuǎn)化為心臟和其他器官。

心臟是人體最神奇的器官，它的腔室能長期均勻地泵動(dòng)，材料柔韌，可按需收縮。這是一個(gè)結(jié)構(gòu)奇跡 —— 然而，當(dāng)心臟出現(xiàn)問題時(shí)，其固有的復(fù)雜性使其成為修復(fù)的真正挑戰(zhàn)。因此，成千上萬的先天性心臟病年輕患者必須終生應(yīng)對(duì)這種疾病。

斯坦福大學(xué)生物工程助理教授 Mark Skylar-Scott 表示「小兒心臟病是美國最常見的先天性疾病之一。這給患者家庭帶來巨大的困難。一些方法能夠通過手術(shù)延長兒童的生命，但這些孩子仍然會(huì)受到活動(dòng)限制，過著充滿不確定性的生活。只有以某種方式替換受損或畸形的組織，才能獲得真正治愈的解決方案�！�

△斯坦福大學(xué)生物工程助理教授 Mark Skylar-Scott

這正是 Skylar-Scott 的研究內(nèi)容，他正在研究通過在實(shí)驗(yàn)室中構(gòu)建工程心臟組織來治療先天性心臟病的新方法。Skylar-Scott 指出，這不僅僅是在培養(yǎng)皿中培養(yǎng)細(xì)胞。大多數(shù)現(xiàn)有技術(shù)將心臟細(xì)胞或干細(xì)胞植入臨時(shí)「支架」：一種多孔的海綿狀物質(zhì)，可以將細(xì)胞固定在三個(gè)維度內(nèi)。盡管這種方法可以讓研究人員在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)組織，但這種方法只適用于極薄的細(xì)胞層。

「如果你的支架只有幾個(gè)細(xì)胞厚，你就可以把細(xì)胞放在正確的位置。但是，如果你嘗試培養(yǎng)一厘米厚的東西，則很難在正確的位置培養(yǎng)細(xì)胞，使其可以生長組織，這樣一來就很難讓細(xì)胞保持活力�！筍kylar-Scott 補(bǔ)充說，人體器官也不是單一的細(xì)胞球，每個(gè)器官都由多種細(xì)胞類型的復(fù)雜層組成，產(chǎn)生的 3D 結(jié)構(gòu)難以復(fù)制。

打印類器官

為了解決器官生長問題，Skylar-Scott 團(tuán)隊(duì)使用先進(jìn)的 3D 打印技術(shù)，他們一次制造一層厚組織，并將所需細(xì)胞放置在正確位置。Skylar-Scott 指出，這種構(gòu)造方法非常適合復(fù)制心臟等復(fù)雜組織，其中 3D 形式非常重要。

盡管前景廣闊，但細(xì)胞 3D 打印也帶來了一些深刻而棘手的挑戰(zhàn)。與消費(fèi)類 3D 打印機(jī)可以加熱并擠壓無數(shù)形狀的材料不同，細(xì)胞是有生命的，且非常脆弱。

Skylar-Scott 表示「如果你嘗試一次只放置一個(gè)細(xì)胞，打印肝臟或心臟可能需要數(shù)百年或數(shù)千年的時(shí)間。即使你每秒放置 1000 個(gè)細(xì)胞，你仍然需要放置數(shù)十億個(gè)細(xì)胞才能得到一個(gè)器官�！�

相反，Skylar-Scott 團(tuán)隊(duì)正在通過放置稱為「類器官」的密集細(xì)胞團(tuán)塊來加快打印過程。該小組通過將轉(zhuǎn)基因干細(xì)胞放入離心機(jī)中產(chǎn)生團(tuán)塊，從而產(chǎn)生糊狀物質(zhì)。使用這種混合物，他們能夠同時(shí)將大量細(xì)胞打印成凝膠狀 3D 結(jié)構(gòu)。通過打印這些類器官來實(shí)現(xiàn)器官的大規(guī)模結(jié)構(gòu)。

細(xì)胞編程

然而，將干細(xì)胞放在正確的位置只是第一步。一旦它們被打印出來，研究人員必須以某種方式使它們分化成更特定的細(xì)胞類型，形成一個(gè)類似于健康器官組織的多層工作細(xì)胞群簇。為了做到這一點(diǎn)，Skylar-Scott 將干細(xì)胞浸泡在化學(xué)混合物中。

每一種干細(xì)胞都經(jīng)過基因工程改造，可以對(duì)特定藥物產(chǎn)生反應(yīng)，一旦它們感覺到這種藥物，這些干細(xì)胞就會(huì)分化成特定的細(xì)胞類型。一些細(xì)胞被編程成為心肌細(xì)胞，即形成心臟核心功能組織的心臟細(xì)胞。其他則編程成為基質(zhì)細(xì)胞，將組織粘合在一起。

Skylar-Scott 在一個(gè)智能手機(jī)大小的生物反應(yīng)器中測試打印出來的組織，這有助于保持打印細(xì)胞存活。研究團(tuán)隊(duì)在生物反應(yīng)器中培育出了一個(gè)類似器官結(jié)構(gòu)：一個(gè)大約 2 英寸長、直徑半厘米的管子，就像人體內(nèi)的靜脈一樣，這種微型裝置可以自行泵送、收縮和擴(kuò)張以使液體通過自身。

擴(kuò)展

Skylar-Scott 很快意識(shí)到應(yīng)該打印一個(gè)更大的結(jié)構(gòu)，比如可移植到現(xiàn)有心臟上的功能性腔室，但仍然有很長的路要走。這種設(shè)想意味需要比實(shí)驗(yàn)性靜脈泵的大小增加 16 倍。為了生產(chǎn)出更接近那個(gè)大小的東西，一個(gè)全新的器官，實(shí)驗(yàn)室需要極大地?cái)U(kuò)大細(xì)胞生產(chǎn)。

Skylar-Scott 說：「擴(kuò)大人造心臟的規(guī)模只需要建造一臺(tái)更大的打印機(jī)，其中的關(guān)鍵仍是細(xì)胞本身。」

「現(xiàn)在，需要一個(gè)月的時(shí)間才能培養(yǎng)出足夠的細(xì)胞來打印一些微小的東西，但成本也非常昂貴，每次測試都需要數(shù)萬美元。我們需要想辦法改造細(xì)胞，使它們更健壯，生長成本更低。一旦新細(xì)胞的管道到位，我認(rèn)為我們將開始看到一些令人難以置信的進(jìn)展�！筍kylar-Scott 表示。

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