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3D打印人体心脏 为晚期心脏病患者解难题

来源:药明康德 2020-08-27 12:32

 

根据世界卫生组织(WHO)公布的数据,每年因为心血管疾病致死数高达1790万,成为全球范围内致死的首要原因。通常,心脏移植是治疗晚期心脏病患者的一项重要选择。但根据世卫组织捐赠与移植观察报告披露,每年在全球范围内,只开展约3500例心脏移植手术。因此,缓解心脏移植手术难以开展的难题,需要保证重要器官的可持续供给。

生物墨水巧破不可能的任务

在过去的一年中,美国明尼苏达大学与以色列特拉维夫大学(TAU)等学术机构,相继开发成功可用于3D打印功能齐全的人体心脏的生物墨水。借助于成功开发的生物墨水,能够促进细胞活力,使诱导的多能干细胞增殖并随后分化为心肌细胞,实现心脏细胞所需的临界细胞密度,使其像正常心脏一样有节律跳动。这一突破,之前几乎一直被视为不可能的任务。

BioLife4D是美国第一家成功采用3D生物打印出具有心脏完整结构的微型心脏的美国公司。3D打印技术原创机构3D Systems公司,最近与非营利组织OpHeart合作,计划为儿科心脏外科医生提供3D打印工具,帮助这些医生更好地准备和演练复杂手术。重要组织与器官的3D打印,将在缓解器官短缺方面发挥关键作用。在完全解决3D生物打印的复杂问题与物流问题之后,3D打印心脏能够成为解决全球心脏健康问题的一个方案。

最终落实,尚需十年

3D打印心脏最终付诸于运用,需要付出艰辛努力,可能还需要长达10年之久,有几方面原因。首先,目前的3D打印心脏的大小,更接近兔心,而不是人体心脏大小。因此,目前的3D打印心脏大小可能存在问题,尤其是考虑到经常与心血管疾病共患的肥胖症。但2006年美国心律学会(Heart Rhythm Society,HRS)的一份出版物认为,“考虑到折返(reentry)波长,决定室颤(异常心律)模式的不是心脏大小本身,而是心脏的有效大小。”这份出版物同时表示,尽管人类心脏的重量最大,但其有效尺寸相对较小,与兔心的有效尺寸最为接近。

其次,人体心脏的复杂程度仅次于大脑。除了心脏本身的复杂性外,3D打印心脏的移植也错综复杂。目前特拉维夫大学采用的自体移植方法包括三个重要步骤:首先从患者身上获取脂肪组织活组织;第二,将细胞重编程为多能干细胞,并使其分化为心肌细胞与内皮细胞,之后将细胞外基质加工成个体化的水凝胶;第三,将两种类型的细胞类型分别与水凝胶结合,形成心肌细胞与血管的生物墨水。为了确保最佳疗效与安全性,这些过程需要小心翼翼地安排时间,但持续的COVID-19大流行可能会使其难以为续。此外自体移植后的复发率,往往高于异体手术后的复发率,但治疗相关死亡率较低。

第三,很难打印出一个可以具备收缩与泵血双重功能的3D心脏,这个难题由来已久。血管化是生物工程组织成功植入的关键因素。体积超过几毫米的组织无法通过养分扩散而存活,需要形成新的血液毛细血管来供应必要的氧气和营养物质。借助于前述生物墨水的突破,能够实现心脏细胞所需的临界细胞密度,使其像正常心脏一样有节律跳动。然而,3D打印人类心脏的长期临床持久性还有待观察,具体的临床使用环境,并非高度受控的实验室环境,因此,临床使用的持久性有待观察。

最后,3D打印心脏的生物材料来源很重要。许多生物墨水的来源为动物材料或合成材料。目前的3D生物打印心脏,例如BioLife4D的生物打印心脏,在很大程度上依赖于自体方法。在这种方法中,利用从患者身上获得的专门的心脏细胞与营养物质和其它材料相结合开发生物墨水,能够优化细胞的存活率,适应生物打印过程。总部位于以色列的再生与整形医学公司CollPlant Biotechnology表示,这家公司基于植物的重组人胶原蛋白(rhCollagen)平台,是组织再生的金标准支架,原因在于与人体产生的1型胶原蛋白相同。CollPlant公司的生物墨水还具备几个优点,包括改善生物功能。最近与3D Systems和United Therapeutics的战略合作似乎证实了这些说法,这些合作最初都集中于在肺部再生医学领域,具备了继续探索心脏与其它重要器官3D生物打印的潜力。

前路漫漫,乐见其成

3D打印人体心脏显示出巨大前景。然而,这项技术的可扩展性需要现成可用、可持续的生物墨水来源,以确保经济发达国家和发展中国家的亟需者的可及性。可能需要至少10年的时间,才能在先进的医院中配备使用心脏打印机;之后再投入10年的时间,成为供医院使用的常规流程。考虑到心血管疾病的严重性,大家有必要保持乐观,最终能够解决3D打印心脏的临床与经济复杂性。(生物谷Bioon.com)

 

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