研究人员使用干细胞3D打印心脏,新的技术已经远超普通人的理解

2021 年 09 月 27 日

      据世界心脏联盟统计,在全世界范围内,每死亡3人,就有1人的死因是心血管病症。每年,心血管疾病死亡人数占全球死亡总人数的29%,中国心血管病患者2.9亿,每5例死亡者中有2例死于心血管病。在一项开创性的新研究中,明尼苏达大学的研究人员在实验室使用干细胞,打印出了一种功能良好的厘米级人体心脏泵。这一发现可能对研究心脏病产生重大影响,这项研究发表在美国心脏协会的出版物《流通研究》中。

 


      短期内,这项研究可以帮助研究人员更好的了解心脏的功能机制,帮助寻找应用心脏疾病的药物或手术方法;长期来看,随着干细胞再生医学的完善,研究人员甚至能使用干细胞打印出合适的人类心脏,替换原本损伤的心脏。过去,研究人员也曾尝试用3D打印心肌细胞,使用的是人体多能干细胞(多能干细胞是指有潜力发展成体内任何类型细胞的细胞)。研究人员将这些干细胞重新编程为心肌细胞,然后使用专门的3D打印机打印他们在一个三维结构,称为细胞外基质。问题是,科学家永远无法达到心肌细胞真正发挥作用的临界细胞密度。
       尽管人类早已掌握了人工培养简单人体组织的技术,但想要生产一颗完全匹配患者的免疫学、细胞、生物化学和解剖学特性的心脏,还是难上加难。尤其是在心脏中,复杂的血管网络和其上附着的肌肉组织需要严格符合正常心脏解剖结构,才能保证心脏的正常工作。
      而这项新的研究中,明尼苏达大学的研究人员改变了这一过程,并取得了成效。
“起初,我们尝试了3D打印心肌细胞,结果失败了,”这项研究的首席研究员、明尼苏达大学科学与工程学院生物医学工程系主任布伦达·奥格尔(BrendaOgle)说,“因此,凭借我们团队的专业知识,潜心研究干细胞和3D打印技术,我们决定尝试一种新的方法。
      我们优化了由细胞外基质蛋白制成的专用“油墨”,将油墨与干细胞结合,并利用油墨+干细胞进行三维打印。干细胞首先扩展到结构中的高细胞密度,然后我们将其分化为心肌细胞。研究小组发现,在不到一个月的时间内,他们就能第一次实现高细胞密度的目标,让细胞像人的心脏一样一起跳动。明尼苏达大学干细胞研究所的主任奥格尔回忆说:“当时经过多年的研究,我们也曾一度准备放弃,但是我的两个生物医学工程博士,莫莉库普弗和林伟汉,建议我们尝试先打印干细胞,我们决定做最后一次尝试。当我们看着实验室里的盘子时,我简直不敢相信,看到整个“打印物”自发地、同步地收缩,并且能够自由地移动。”
     奥格尔表示,这是心脏研究的一个关键进展,因为这项新的研究显示了他们如何能够以一种细胞组织和协同作用的方式打印出心肌细胞。因为这些细胞是相互分化的,所以更像干细胞在体内生长,然后成功生长为心肌细胞。
      这次研究制作的心脏模型长约1.5厘米,与19年世界首个打印的心脏是不一样的,这是专为进一步研究而设计的适合于小鼠腹腔的心脏模型。奥格尔说:“我们现在有了一个模型来跟踪和追踪在心脏结构中细胞和分子水平上正在发生的事情,它开始越来越接近人的心脏。我们可以在模型中引入疾病和损伤,然后研究药物和其他疗法的效果。”使用干细胞打印心脏似乎是一个简单的概念,但如何实现这一点是相当复杂的,现在研究人员看到了其中的潜力,相信接下来的研究中,研究人员将会有更大的收获。

 

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