华人科学家发明出3D打印干细胞心脏补丁

39度创意研究所 2017-05-18 15:27 次阅读

上个月,美国心脏协会(American Heart Association)出版的《Circulation Research》杂志上刊登了一篇研究,阿拉巴马大学伯明翰分校(UAB)的张建一( Jianyi Zhang)博士(研究的通讯作者)和明尼苏达大学的Brenda Ogle博士的团队共同研发出了一个以干细胞为基础的,可以修复心脏损伤的3D打印“心脏补丁”!研究的第一作者是张建一博士实验室的博士后Ling Gao,博士毕业于上海交通大学。

“心脏补丁”当然是为了修补心脏而生的,在一些心脏病发作的时候,患者的血液不能泵入心肌,心肌细胞就会“缺血而死”,即使患者被抢救了回来,但是大量心肌细胞的死亡还是会使心脏上出现“疤痕”,导致心脏功能受损。而我们的心脏又无法自己产生新的细胞去修复疤痕。更“糟心”的是,死亡的心肌组织会“牵连”周围的肌肉,使得“疤痕”慢慢扩大,为以后埋下了不小的安全隐患。

华人科学家发明出3D打印干细胞心脏补丁

张建一博士(右,曾就读于上海医科大学,现为复旦大学上海医学院)和Brenda Ogle博士(左)

目前,无论是美国,还是中国,心脏病都已经成为死亡率最高的一类疾病,每年,美国有36万人因心脏病死亡,我国更是超过300万,平均每5例死亡中就有2例是由于心脏病。在这样的大背景下,一些研究人员开始着手研究怎样“人为地简单快速修补心脏”。

目前,用干细胞来治疗疾病已经是很“火热”的研究方向了,心肌修复也不例外。过去已经有许多科学家尝试了简单移植干细胞的方法,但是干细胞移植后成功分化并存活的比例实在是不高,而且移植后的功能性如何、能不能进行电信号的传导都缺少验证。而这两个重要的点在新的研究中都取得了一定的进步。

首先,研究人员对小鼠心肌组织的细胞外基质(ECM)进行了3D扫描,ECM是由一些多糖、蛋白质构成的网架结构,分布在细胞表面和细胞间,起到连接组织结构、调节组织和细胞生理活动的作用。基于扫描结果,研究人员用生物可降解材料打印出了模拟小鼠心肌组织ECM的“支架”。

尤其值得一提的是,在研究中使用的扫描技术可以将分辨率<1μm的点准确的投射到打印材料上,因此打印出来的“支架”与小鼠本身的ECM是高度相似的。而且这也是首次将这种扫描技术成功地应用于组织工程支架的制造上。

有了支架这个“载体”,我们的干细胞就有了“据点”,大量的干细胞被放在支架上,形成了真正的“心脏补丁”。干细胞采用的是由人的心脏成纤维细胞重编程而来的诱导性多能干细胞(hiPSCs),放在支架上后,再诱导它们按照正常组织内细胞的2:1:1的比例分化为心肌细胞、平滑肌细胞和内皮细胞。

华人科学家发明出3D打印干细胞心脏补丁

D:3D打印出的支架;E:长满了细胞的支架;两图右下角均为局部放大

这样制作出来的补丁被研究人员简称为hCMP,在体外实验中,研究人员观察到它可以“与天然的心脏组织融为一体”,所携带的细胞的电信号传递也十分顺利。此外,研究人员证实,分化出的心肌细胞在“支架”上的7天存活率与目前常用的培养hiPSCs的Matrigel培养基是相差无几的。

华人科学家发明出3D打印干细胞心脏补丁

细胞在不同培养基上的存活率变化,黑色菱形为Matrigel培养基,黑色方块为hCMP,黑色三角为聚乙二醇,白色三角为牛心包膜

接下来,研究人员选择了心肌梗塞(MI)的小鼠模型进行试验,将它们分为3组,一组用2个hCMP治疗,一组用2个不携带细胞的纯支架进行治疗,还有一组作为空白对照,不接受任何治疗。hCMP和纯支架都放置于发生过梗塞的部位,并且通过脱细胞处理的牛心包膜(包裹牛心脏的一层皮状组织,脱细胞后不含任何细胞,避免对实验结果产生干扰)将其固定在梗塞位置,避免移动。

结果显示,在治疗进行1周时,“移植”成功的细胞大概占24.5±2.6%,到第4周下降到11.2±2.3%。尽管发生了不小的下降,但是这个比例仍然比过去报道过的心肌细胞移植研究的比例(3-4天就从6.9%下降到了2%)要高得多。

在第28天,研究人员对小鼠进行了超声心动图检查,来评估受损心脏功能的恢复,MI+hCMP组的小鼠果然是恢复最好的一组,两个重要参数——左心室射血分数(代表了心肌的收缩能力,收缩能力越强,射血分数越大,<50%为功能受损)和左心室短轴缩短率(同样为衡量心室收缩能力的参数,<25%为功能受损)都明显高于另外两组;而且梗塞部位的面积也明显减小了。

华人科学家发明出3D打印干细胞心脏补丁

B、C:正常小鼠、心肌梗塞(MI)小鼠、置入纯支架MI小鼠和置入hCMP的MI小鼠(由上至下)的左心室射血分数(B)和左心室短轴缩短率(C)的对比;D:心肌组织切片染色图(顺序由左至右同B、C),BP为牛心包膜

对于他们的研究成果,Ogle博士表示,这项研究与以前类似的研究不同,因为这个“补丁”是以天然心脏组织的结构为模板,经过先进的3D扫描和打印技术制作出来的,它的物理结构与“原生结构”相似度非常高。只有这种类型的3D打印才能够实现1μm级的分辨率,“完美地”模拟“原生结构”。再加上诱导性多能干细胞,可以按照研究人员的要求分化出所需的3种类型的细胞,这种“巧妙的”结合让他们的实验获得了成功。

华人科学家发明出3D打印干细胞心脏补丁

Ogle博士(右)和她的学生,本次研究的参与者之一,Molly Kupfer(左)展示“心脏补丁”

“心脏十分复杂,一开始我们对这个‘补丁’的工作效率是感到忐忑的,” Ogle博士说。“但是当我们看到细胞在支架中排列的整整齐齐,并且完整、顺利的传导了电信号的时候我们得到了极大的鼓励。”

基于目前的成功,研究人员已经开始着手开发更大的“补丁”,他们接下来的目标是在猪的心脏中进行测试,因为它与人类的心脏大小相似,这是“心脏补丁”迈入临床的重要一步。

39度创意研究所 技术专区

关注电子发烧友微信

有趣有料的资讯及技术干货

下载发烧友APP

打造属于您的人脉电子圈

关注发烧友课堂

锁定最新课程活动及技术直播
收藏 人收藏
分享:

评论

相关推荐

对3D打印技术的原理及其在骨科的应用发展进行概述

本文旨在对3D打印技术的原理及其在骨科的应用进行概述,并对其在未来的发展提出展望。目的是加深临床医生....

的头像 新材料在线 发表于 02-09 12:48 次阅读 0条评论
对3D打印技术的原理及其在骨科的应用发展进行概述

开发以3D打印随选制药的新方法

研究团队,开发出用化学数码代码和3D打印机制造药物的新方法,该团队认为,这种新方法将重新定义便携式工....

发表于 02-07 13:11 次阅读 0条评论
开发以3D打印随选制药的新方法

运用3D打印技术 改善牙冠与牙桥制作方式

牙冠与牙桥都是固定式人工假牙,传统制作方式非常依赖人工作业,通常需要3~7天工作时间。而目前采用3D....

发表于 02-06 12:25 次阅读 0条评论
运用3D打印技术 改善牙冠与牙桥制作方式

中小型企业引进智能工厂 AI与3D打印成基石

人工智能(AI)与3D打印等破坏式创新与尖端技术兴起后,受到各种产业引进采用。2018年制造业也将大....

发表于 02-06 08:47 次阅读 0条评论
中小型企业引进智能工厂 AI与3D打印成基石

推行工业4.0不落人后 西班牙造船厂采3D打印技术

不像汽车或飞机制造,关于造船业采用3D打印技术的讨论较少见,不过随著荷兰于2017年打造出第一支3D....

发表于 02-05 12:46 次阅读 0条评论
推行工业4.0不落人后 西班牙造船厂采3D打印技术

供应链数码化正改革成衣制造业

如何加快流程和变得更有弹性,是时尚产业目前面临的最大挑战。随著市场压力增加以及产品生命周期缩短,各大....

发表于 02-05 08:46 次阅读 0条评论
供应链数码化正改革成衣制造业

科学家利用X射线研究金属3D打印产生缺陷的原因

SLAC国家加速器实验室的科学家们同样好奇,为什么3D打印部件(特别是金属3D打印部件)容易出现缺陷....

的头像 电子发烧友网工程师 发表于 02-10 22:45 次阅读 0条评论
科学家利用X射线研究金属3D打印产生缺陷的原因

3D打印部件缺陷尚未完善 X射线研究可理解出错原因

3D打印快速成型技术以数字模型文件为基础,通过逐层打印的方式来构造物体。这种技术被广泛的使用在工业领....

发表于 02-02 11:03 次阅读 0条评论
3D打印部件缺陷尚未完善 X射线研究可理解出错原因

FDM 3D打印是航天零组件制造最佳方案

美国航天零组件供应商Moog Aircraft Group在与3D打印机制造商Stratasys的合....

发表于 02-01 12:43 次阅读 0条评论
FDM 3D打印是航天零组件制造最佳方案

3D打印钛金网植入物可加速骨骼再生

医疗界至今仍难以治疗严重骨骼受损,有时候太过严重通常只有截肢一途,毕竟特定部位的骨骼组织向来不利再生....

发表于 02-01 08:47 次阅读 0条评论
3D打印钛金网植入物可加速骨骼再生

DLP技术促进3D打印技术的发展

近年来,3D打印技术一直保持着强劲的发展势头,而且非常有望改变制造业的原有面貌。虽然这种增材制造技术....

发表于 02-20 16:57 次阅读 0条评论
DLP技术促进3D打印技术的发展

未来五年3D打印将出现大幅增长 2021年将增至36亿美元

据IDC报告显示,未来3D打印支出将迎来巨大的增长规模,中国是APEJ增长的推动力,值得留意的是未来....

发表于 01-31 11:42 次阅读 0条评论
未来五年3D打印将出现大幅增长 2021年将增至36亿美元

3D打印将会为整个市场带来哪些改变

说起3D打印,相信许多人都有所印象,脑海中自然而言就会浮现出一台高精尖的机器不断挥动机械臂,随后神奇....

的头像 OFweek工控 发表于 01-31 10:42 次阅读 0条评论
3D打印将会为整个市场带来哪些改变

人体皮肤的3D打印可实现自然色素沉着

在研究 制造技术的A * STAR新加坡研究所(SIMTECH)和南洋理工大学新加坡中心3D打印(S....

的头像 电子发烧友网工程师 发表于 02-19 03:34 次阅读 0条评论
人体皮肤的3D打印可实现自然色素沉着

简单介绍12种最为特异的3D打印材料

提到3D打印一定要涉及到的是它所使用的形式各异的材料。但无论是塑料、金属或是陶瓷,都与传统的材料有所....

的头像 新材料在线 发表于 01-29 11:11 次阅读 0条评论
简单介绍12种最为特异的3D打印材料

Carbon创新3D打印工法颠覆医疗制造技术

3D打印公司Carbon正在为牙医生产牙科模型和手术指南,并替爱迪达(Adidas)以3D打印运动鞋....

发表于 01-26 11:07 次阅读 0条评论
Carbon创新3D打印工法颠覆医疗制造技术

2017年燃料电池行业发生的大事件TOP10

据中国氢能源网2017年12月12日报道,Christopher Howe小组的研究人员以及剑桥石墨....

的头像 电子发烧友网工程师 发表于 01-26 09:30 次阅读 0条评论
2017年燃料电池行业发生的大事件TOP10

Cellink以3D打印制造肿瘤以对抗癌症

瑞典生物科技公司Cellink设计出生物墨水(biological ink),可被各种不同3D打印机....

发表于 01-24 10:16 次阅读 0条评论
Cellink以3D打印制造肿瘤以对抗癌症

未来所有行业的制造企业需要力争根据客户需求有效地进行生产

未来五至十年内,所有行业的制造企业都将卷入一场争夺战,力争根据客户需求有效地进行生产。客户需要时就可....

的头像 工业4俱乐部 发表于 01-22 10:52 次阅读 0条评论
未来所有行业的制造企业需要力争根据客户需求有效地进行生产

科学家破解特殊的细胞 帮助折叠组织并在活组织外创造3D形状

很多人介意3D打印器官 – 其实真正要实现的是让器官组织本身顺从于人的意志,UCSF科学家现在已经设....

的头像 IEEE电气电子工程师学会 发表于 01-19 14:57 次阅读 0条评论
科学家破解特殊的细胞 帮助折叠组织并在活组织外创造3D形状