斯坦福大學如何加快3D打印心臟,？

來源：機器之心

使用先進的 3D 打印技術(shù),，斯坦福大學研究者將由活細胞制成的糊狀物轉(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,，材料柔韌,，可按需收縮。這是一個結(jié)構(gòu)奇跡 —— 然而，當心臟出現(xiàn)問題時,，其固有的復雜性使其成為修復的真正挑戰(zhàn),。因此，成千上萬的先天性心臟病年輕患者必須終生應對這種疾病,。

斯坦福大學生物工程助理教授 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,，但這些孩子仍然會受到活動限制,，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驗室中構(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)細胞,。大多數(shù)現(xiàn)有技術(shù)將心臟細胞或干細胞植入臨時「支架」：一種多孔的海綿狀物質(zhì),，可以將細胞固定在三個維度內(nèi)。盡管這種方法可以讓研究人員在實驗室培養(yǎng)組織,，但這種方法只適用于極薄的細胞層,。

「如果你的支架只有幾個細胞厚，你就可以把細胞放在正確的位置,。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)細胞,，使其可以生長組織,，這樣一來就很難讓細胞保持活力�,！筍kylar-Scott 補充說,，人體器官也不是單一的細胞球，每個器官都由多種細胞類型的復雜層組成,，產(chǎn)生的 3D 結(jié)構(gòu)難以復制,。

打印類器官

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

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

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

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

細胞編程

然而，將干細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胞類型，形成一個類似于健康器官組織的多層工作細胞群簇,。為了做到這一點,，Skylar-Scott 將干細胞浸泡在化學混合物中。

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

Skylar-Scott 在一個智能手機大小的生物反應器中測試打印出來的組織，這有助于保持打印細胞存活,。研究團隊在生物反應器中培育出了一個類似器官結(jié)構(gòu)：一個大約 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,、收縮和擴張以使液體通過自身。

擴展

Skylar-Scott 很快意識到應該打印一個更大的結(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,。這種設想意味需要比實驗性靜脈泵的大小增加 16 倍。為了生產(chǎn)出更接近那個大小的東西,，一個全新的器官,，實驗室需要極大地擴大細胞生產(chǎn)。

Skylar-Scott 說：「擴大人造心臟的規(guī)模只需要建造一臺更大的打印機,，其中的關鍵仍是細胞本身,。」

「現(xiàn)在,，需要一個月的時間才能培養(yǎng)出足夠的細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胞,，使它們更健壯，生長成本更低,。一旦新細胞的管道到位,，我認為我們將開始看到一些令人難以置信的進展�,！筍kylar-Scott 表示,。

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