脂肪细胞作“墨水”，他们造出全球首个 3D 打印心脏

能与患者完全匹配的厚实的血管化组织，仍然是人造心脏难以逾越的鸿沟。

但以色列特拉维夫大学 (Tel Aviv University) Tal Dvir 教授及其领导的研究团队正在接近这一目标。他们在实验室内完成了人类首例 3D 打印心脏，它可完全与患者的免疫学、细胞、生物化学和解剖学特性匹配。更让人吃惊的是，这颗仅有樱桃大小的心脏，竟然是用脂肪组织逆转为诱导多能干细胞，再通过 3D 打印而成的。这项研究发表在 Advanced Science 上。

那么 Tal Dvir 教授及其领导的研究团队究竟是如何做的呢？

图丨首例人造心脏（来源：Lior Wertheim, Tal Dvir. 3D Printing of Personalized Thick and Perfusable Cardiac Patches and Hearts）

心脏本身的构成极其复杂，但大致可以分为两大类：细胞成分和非细胞成分。细胞成分主要包括能够跳动的心肌细胞和供应营养的心脏血管内皮细胞，而非细胞成分则包括胶原蛋白、弹性纤维等维持心肌细胞生长稳态形成的组份。

3D 打印心脏的初衷是解决心脏移植供体短缺的困境，同时也是为了解决现有活体心脏移植后出现的免疫排斥反应。因此，3D 打印心脏所需要的材料在进入患者身体后也不能出现免疫排斥。

为了解决这两个难倒千万科学家的大难题，Tal Dvir 团队想到使用诱导多能干细胞（iPSC）来打造这一人造器官。

首先，研究团队从患者体内取出了网膜组织，简而言之就是一些脂肪组织。然后将这些脂肪组织中的脂肪细胞重编程为诱导多能干细胞，它们具有全向分化能力。随后，研究人员将这些 iPSC 重编程为 3D 打印所需要的心肌细胞和血管内皮细胞。

脂肪组织中的其他非细胞成分则被一一分离出来，作为 3D 打印心脏所需的非细胞组份。

这样 3D 打印心脏所需的两种关键“墨水”就集齐了。

我们知道心脏本身的供血是由冠脉血管来完成的，研究者首先利用高分辨率 CT 对患者的心脏进行了 360 度无死角扫描，通过计算机辅助三维重建了患者心脏冠脉系统中的大血管。

但一些 CT 扫描无法探测到的小血管该怎么办呢？Tal Dvir 教授想到可以计算每个区域单位体积心肌细胞所需的氧气量，“心肌需要多少，我给它多少呗”。通过计算机辅助计算，研究者设计了可以供给“每一寸”心肌细胞的营养的冠脉血管。

图丨人造心脏冠脉系统的构建过程

最后，研究人员将两种细胞组份与非细胞组份一同进行了 3D 打印。这颗 3D 打印的心脏虽然仅有樱桃大小，也就相当于兔子的心脏，但其拥有完整的左右心室、左右心房、室间隔和房间隔，同时具有供应这些心肌细胞生长的脉管系统。

当仔细观察这一人造心脏时，研究人员甚至能够看到心肌细胞的跳动，但由于缺少窦房结等心脏传导系统，这些心肌细胞并不能统一地进行收缩和舒张，也就是说这一心脏还不具备泵血功能。

但这一心脏的出现，可以堪称是组织工程学上的“奇迹”，其为未来 3D 打印人体器官及药物模型的构建提供了十分可靠的参考价值。