哈佛大學(xué)開發(fā) 3D 打印血管新方法，應(yīng)用效果接近人體器官

2024年9月19日，南極熊獲悉，來自哈佛大學(xué)Wyss 研究所的科學(xué)家開發(fā)出一種新方法，可以 3D 打印出類似人體血管的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。通過與約翰·A·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(SEAS) 合作，研究團隊在創(chuàng)建功能性、可植入的實驗室培養(yǎng)器官的探索中邁出了重要一步。

這項新技術(shù)稱為同軸 SWIFT（co-SWIFT），可以生成嵌入人體心臟組織的血管網(wǎng)絡(luò)。這些網(wǎng)絡(luò)的特點是中空的“核心”被平滑肌和內(nèi)皮細胞的“外殼”包圍，模仿血管的自然結(jié)構(gòu)。

此外，這項創(chuàng)新建立在之前的生物打印技術(shù) SWIFT 的基礎(chǔ)上，該技術(shù)使科學(xué)家能夠在活體基質(zhì)中打印空心通道。SWIFT 于 2019 年開發(fā)，是一項突破，因為它使研究人員能夠在活體基質(zhì)中打印空心通道，在充滿活細胞的類似組織的材料內(nèi)創(chuàng)建通道。這些空心通道對于模擬血管的基本結(jié)構(gòu)很重要，為營養(yǎng)物質(zhì)和液體流過組織提供了途徑。然而，這些通道只是簡單的空心空間，缺乏使真正的血管堅固并能夠應(yīng)對血壓環(huán)境的層結(jié)構(gòu)。

據(jù)科學(xué)家介紹，co-SWIFT 不僅創(chuàng)建了空心通道，還增加了多層結(jié)構(gòu)，以反映人體中的真實血管，從而將其提升到了一個新的水平。使用 co-SWIFT，3D 打印的血管有一個核心，液體可以在其中流動，周圍是一層由平滑肌和內(nèi)皮細胞制成的外殼。正是這個外殼使血管更加強大，使它們更像天然血管。通過添加這些層，co-SWIFT 創(chuàng)建了一個可以維持血流壓力的系統(tǒng)，這比原來的 SWIFT 方法有了顯著的改進。

△Co-SWIFT打印 3D 血管以創(chuàng)建可支持活體人體組織的分支血管網(wǎng)絡(luò)。

保羅·斯坦基是 SEAS 的研究生，也是這項研究的第一作者，他解釋說，該團隊的突破在于他們的核心-殼噴嘴設(shè)計。噴嘴具有兩個流體通道：一個用于膠原蛋白基殼墨水，另一個用于明膠基核心墨水。這使得血管不僅可以形成復(fù)雜的分支結(jié)構(gòu)，而且足夠堅固以承受血流的內(nèi)部壓力。研究小組創(chuàng)建了可以支撐活組織的血管網(wǎng)絡(luò)。

為了測試他們聯(lián)合 SWIFT 打印的血管，該團隊使用了兩種不含任何細胞的材料，其中一種由膠原蛋白制成，與活體肌肉組織非常相似。打印后，他們?nèi)诨�了明膠核心，留下開放的血流通道。然后，研究人員在外殼上添加了平滑肌細胞，在內(nèi)層添加了內(nèi)皮細胞，使血管像真正的血管一樣工作。經(jīng)過七天的測試，血管壁保持堅固，內(nèi)皮細胞的存在使它們的滲透性降低，表明血管功能正常。

然而，真正的考驗是在科學(xué)家將他們的技術(shù)應(yīng)用于活體人體組織時。他們創(chuàng)建了微小的人體心臟細胞簇，稱為心臟器官構(gòu)建塊 (OBB)，并將它們壓縮成致密的固體結(jié)構(gòu)。這種致密的基質(zhì)創(chuàng)造了一個更像組織的環(huán)境，類似于細胞在實際人體器官中的緊密排列方式。通過這樣做，他們創(chuàng)建了一個基礎(chǔ)，以應(yīng)用他們的 co-SWIFT 方法在這種活體組織內(nèi)打印血管，從而更真實地測試打印的血管在真實人體組織中如何發(fā)揮作用。

△原始SWIFT 方法（左）和聯(lián)合 SWIFT（右）。

成功將血管網(wǎng)絡(luò)打印到基質(zhì)中后，取出明膠芯并用內(nèi)皮細胞灌注血管。經(jīng)過五天的模擬血液灌注后，心臟組織“反應(yīng)良好”，同步跳動。這種同步跳動表明組織健康且功能正常。

除了證明這些血管可以支撐活體組織之外，科學(xué)家“還能夠根據(jù)來自真實患者的數(shù)據(jù)，成功地3D 打印出左冠狀動脈血管模型，這證明了 co-SWIFT 在創(chuàng)建針對特定患者的血管化人體器官方面的潛在效用，”聯(lián)合資深作者之一、SEAS生物啟發(fā)工程學(xué) Hansjörg Wyss 教授Jennifer Lewis 說道。

該專家還指出，研究團隊計劃在此基礎(chǔ)上構(gòu)建毛細血管網(wǎng)絡(luò)。毛細血管是負責營養(yǎng)交換的微小血管，對于在微觀尺度上完全復(fù)制人體組織功能至關(guān)重要。

盡管實驗室培育可移植器官的道路仍然漫長，但這一成就代表著令人難以置信的進步。

Wyss 研究所的創(chuàng)始主任、這項研究的共同資深作者 Donald Ingber 對該團隊的努力表示贊賞：“說在實驗室中設(shè)計功能性活體人體組織很困難，這只是輕描淡寫。我為這個團隊表現(xiàn)出的決心和創(chuàng)造力感到自豪，他們證明了他們確實可以在活體、跳動的人類心臟組織中構(gòu)建更好的血管。我期待他們在未來某一天繼續(xù)成功將實驗室培養(yǎng)的組織植入患者體內(nèi)。”

Ingber還是哈佛醫(yī)學(xué)院和波士頓兒童醫(yī)院的Judah Folkman 血管生物學(xué)教授以及SEAS 的Hansjörg Wyss 生物啟發(fā)工程教授。

△Wyss研究所創(chuàng)始人唐納德·英格伯 (Donald Ingber)。

這項技術(shù)的潛在應(yīng)用遠遠超出了器官移植。除了制造人造器官外，復(fù)制復(fù)雜血管系統(tǒng)的能力還可以為藥物開發(fā)、疾病建模和再生醫(yī)學(xué)打開大門。科學(xué)家可以在實驗室中創(chuàng)建更精確的人體組織模型，使他們能夠以以前不可能的方式研究疾病和測試治療方法。

這項研究以題為“Embedding Biomimetic VascularNetworks via Coaxial Sacrificial Writing into Functional Tissue”的論文發(fā)表在《先進材料》雜志上，得到了海軍研究辦公室和國家科學(xué)基金會的支持。在此成功的基礎(chǔ)上，該團隊目前正在探索下一步如何推動 co-SWIFT，重點是增加打印血管網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性并改善其與活組織的整合。

相關(guān)論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202401528