首个3D打印的“人造心脏”诞生,有望变革器官移植

首个3D打印的“人造心脏”诞生,有望变革器官移植
2019年04月16日 09:51 新浪科技综合

  来源:学术经纬

  以色列是一个不折不扣的“创新之国”。位于中东,饱受战火冲突的以色列其国土面积虽不如北京与上海的总和,人口也只有区区800万,却已经诞生了10多位诺奖得主。

  今日,来自以色列特拉维夫大学的科学家们又给我们带来了一项突破。一支科研团队用人类的脂肪组织,通过一系列神奇的操作,最终成功3D打印出了一颗“人造心脏”。它虽然只是一个微缩版的原型,却是人类“首次成功设计并打印出一个具有细胞、血管、心室和心房的心脏”。

▲3D打印心脏,以色列科学家带来了新突破(图片来源:参考资料[1])▲3D打印心脏,以色列科学家带来了新突破(图片来源:参考资料[1])

  这颗心脏可以说是生物学、材料学、计算机科学等诸多学科联合带来的科学突破。具体来看,研究人员们先从一些患者的体内取出了一些脂肪组织,然后将其“细胞”与“非细胞”的成分进行分离。这些细胞随后被用来诱导产生多能干细胞,而胶原蛋白和糖蛋白等非细胞成分则用来合成“个体化凝胶”,来充当3D打印的“墨水”。

▲简单几步处理,脂肪变成了打印心脏的“墨水”(图片来源:参考资料[1])▲简单几步处理,脂肪变成了打印心脏的“墨水”(图片来源:参考资料[1])

  研究人员们发现,自身材料组成的凝胶给干细胞提供了良好的发育环境。在这些凝胶里,干细胞能高效分化成心脏细胞和内皮细胞。由于所有的材料都来自患者本身,这些细胞产生的组织能有效地避免异体器官移植中的排斥问题。

  “生物材料的兼容性是消除移植排斥问题的关键,这些问题可能会危害移植的成功,”本研究的通讯作者Tal Dvir教授说道:“理想情况下,生物材料应该与患者本身的组织有同样的生化、机械、以及拓扑性质。”

▲研究人员们用计算机模拟了小血管网络(图片来源:参考资料[1])▲研究人员们用计算机模拟了小血管网络(图片来源:参考资料[1])

  成功分化细胞之后,研究人员们进一步开始用这一方法“3D打印”心脏组织和器官。利用CT扫描技术,他们勾勒出了心脏的大体结构,这包括了心脏的形状,心房心室的尺寸,以及主要血管的走向。对于CT扫描无法获取的小血管网络结构,研究人员们又使用了数学模型,计算不同区域的氧消耗,合理分配血管的走向。在计算机的辅助下,我们获得了更为完整的血管网络结构,用于实际的打印。

▲3D打印心脏的全过程(图片来源:参考资料[1])▲3D打印心脏的全过程(图片来源:参考资料[1])
▲往3D打印的心脏里注射染料观察结构(图片来源:参考资料[1])▲往3D打印的心脏里注射染料观察结构(图片来源:参考资料[1])

  万事俱备之后,他们成功打印出了一个“人造心脏”。限于目前的技术,研究人员们打印出来的还只是一个“迷你版”,尺寸只有樱桃一样大,差不多是兔子心脏的大小。这颗心脏带有心脏细胞和血管,结构完整。目前,这颗心脏里的细胞可以出现收缩,但尚不能像正常心脏一般搏动泵血。这也是研究人员们下一步的主攻方向。

  按计划,他们想在1年多后开启动物实验,研究这种人造心脏用于器官移植的可行性。目前,心血管疾病是人类的第一杀手,而心脏移植是病情严重患者几乎唯一的选择。由于迟迟没有合适的器官,许多患者只能在等待中,迎来生命的终结。如果这一技术真的能用于人类器官移植,无疑是一大喜讯。

  “可能在10年里,全世界最好的医院里就能出现器官打印机。” Dvir教授乐观地估计道。我们期待早日看到梦想成真的那一天!

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