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3D打印一颗心脏,到底有多难?

发布时间:2019-09-23 访问次数:411次 来源:三联生活周刊 分享:

第一颗有血管的3D心脏

4月15日,以色列特拉维夫大学(Tel Aviv University)宣布该学校实验室3D打印出了一颗“心脏”,实验结果刊登于综合科技期刊《先进科学》(Advanced Science)。

这颗心脏不仅仅只是外形。它有细胞,有血管,也有其他支撑结构。它甚至像心脏一样可以收缩——但它的长度只有2.5厘米,差不多是一个兔子心脏的大小。特拉维夫大学实验团队负责人之一阿萨夫·沙皮尔(Assaf Shapira)教授告诉本刊:“与过去相比,这项3D打印心脏的研究成果的突破点在于,这不仅仅是一个外观打印的心脏,这是世界上第一个利用患者自己的细胞和生物材料3D打印出的三维血管化的工程心脏(3D vascularised engineered heart),也就是具有血管组织的三维人造心脏。”而在此之前,科学家只成功打印出没有血管的简单组织。

3D 打印心脏过程

阿萨夫·沙皮尔补充道:“我们打印心脏的原料是从病人身上提取而来。提取脂肪组织的切片,对其进行编辑使之成为干细胞,再将其转化为心肌细胞和内皮细胞。另外,提取非细胞组织,转变为一种‘个人特有的凝胶’来充当打印‘墨水’,这些由糖和蛋白质构成的材料能够用于3D打印复杂的组织模型,随后利用组织工程学的原理,在支架中填充细胞,以此让细胞得以更好地再生。”他说,该实验中使用的“打印原料”和“黏合胶水”来源于患者自体的细胞,对于成功构建组织和器官至关重要,这意味着因此打印出的心脏移植进本人身体后不会产生排异反应。

事实上,心脏移植曾被誉为21世纪医学之巅,目前全球每年有上千人通过传统的方式完成心脏移植手术,即由脑死亡患者提供还在跳动的心脏,医院将心脏置放于特殊材料中,与民用航空公司合作运输心脏——脑死亡供体缺血时间的极限为6小时——接受供体的医院需要在这时效内获取心脏,并开展心脏移植手术。而目前心脏移植术后的死亡率居高不下,主要与排异反应有关。1978年,张世泽等医生在上海瑞金医院完成了中国内地首例心脏移植手术,但病人术后仅存活了109天。即使到现在,心脏移植手术后的5年生存率也仅刚过50%。

如此看来,若特拉维夫大学的技术手段能在未来的人体试验阶段证明有效,并一定程度上解决传统的心脏移植手术后的排异问题,那确实将会是一个很大的突破。

被问及为何选择3D打印心脏而不是肾脏或其他器官组织,阿萨夫回应:“在难度上,我没有能力去辨别到底哪个更容易。但目前传统的心脏移植方式是晚期心力衰竭患者唯一可用的治疗方法。心脏捐赠者的严重短缺,对我们来说,就得努力开发新的方法。”

心脏,因其体积大、细胞种类繁多且需要跳动,即全体心肌细胞需要几乎同时收缩,才能具有功能。即便在3D打印技术发展多年之后,在医疗领域颅颌面外科、骨科、口腔科的3D打印假体植入的案例也屡见不鲜的今天,尽管科学家们也早已掌握了人工培养简单的人体组织的技术,但要3D打印一颗匹配患者的细胞学、生物化学、解剖学特性的心脏,依然很困难。

阿萨夫对于此次实验的一些遗憾也并不讳言,“受限于我们3D打印机精度的问题,目前还不能打印出心脏上的所有血管,而且该心脏也不具有泵血功能”。而3D打印出的这颗“心脏”距离应用于动物实验,也长路漫漫。

那么,3D打印一个心脏到底难在哪里?追根溯源可以归结到地球的重力问题——打印出来的心脏不能泵血是由于心脏没能整齐地跳动;心脏整齐地跳动需要心脏的细胞间有紧密的联系等等。而地球重力的存在,直接或间接地导致前述这一切条件都无法实现。

如何让打印的心脏跳动起来?

3D打印心脏,绝不只是把一堆细胞堆成心脏的样子那么简单。特拉维夫大学的这场实验在3D打印领域属于“生物3D打印”。3D打印机与传统打印机的核心差异是:一方面,传统打印是两维空间上的平面打印,而3D打印则是在三维空间中立体打印,一层层地堆积增加材料;传统打印用的是墨水,而3D打印机依据不同的实验目的,墨水会对应着变化。与其他3D打印普遍使用的激光或热不同,由于生物3D打印使用的是细胞,为了保证细胞的活性,不能有光和热。生物3D打印依据不同的细胞生长环境,需要设置打印的参数,精确地控制生物材料中细胞的密度、生长因子在整体3D结构中的位置及相关作用,才能使打印出的组织具有生物活性。

心脏比一般的器官复杂,主要在于它会跳动。心脏的跳动是因为心肌细胞都被紧密地连在一起,细胞产生的电信号会使大批心肌细胞共同收缩。而且为了协调两个心房和两个心室的协同收缩,心脏本身还有一套特殊的传导系统。

虽然在体外生产几千万个心肌细胞不难,但是即便心脏被3D打印出来了,能不能跳是一件事,到底是怎么跳的是另外一件事。以临床的病症举例,心室纤颤就是因为心肌细胞不能同步跳。一旦失去“同步”,各个细胞此起彼伏地乱跳就会让心脏瞬间失去泵血功能,导致死亡。也就是说,如果要实现心脏的泵血功能,心脏必须非常整齐地跳动。


4 月15 日,以色列特拉维夫大学实验室,3D 打印机正在打印3D 心脏(图 | 法新社)

特拉维夫大学此次打印出的心脏,还没有达到大批细胞同步跳动,并产生足够的力量。一位美国大学神经科学系教授告诉本刊:“根据该实验发表的论文可看出,打印出的组织之间有电的联系,临近的细胞存在同步跳动的现象。但是这还远远没有达到同步跳动的要求。”

那么,为何特拉维夫大学团队打印出的心脏不能整齐地跳动?答案与地球的重力有关。“3D打印的黏附力不足以支撑心脏或肾脏这种大器官,而在地球重力的影响下会造成细胞间的撕裂。”哈佛大学研究员谢鑫告诉本刊,他同时也是器官芯片公司ApreX的联合创始人。他的主要研究方向包括微机械电子系统,生物3D打印,微流体芯片与器官芯片。“生物3D打印的核心问题就是要解决生物材料和重力对3D打印细胞的影响。”

谢鑫在微型机械电子系统领域的研究对象为微米和纳米级的器件,在这类微尺度的特定情况下,静电的吸附力会远大于器件的重力,因而研究员会忽略重力的影响而更多的计算静电吸附力。“这个定律反过来就很好地解释了为何生物3D打印小型的器官细胞模型时是可行的,但一旦要打真实尺寸(比如250克的心脏)时,由于细胞间的支撑力和黏合力是一定的(并不随着你打印东西的大小改变而改变),那么就可能造成两个后果:一方面,下层的细胞受到越来越大的上层细胞的压力而垮塌;另一方面,如果没有收到压力而垮塌,在转移运输的过程中,上层细胞无法承受下层细胞的重量而产生撕裂。”

什么叫细胞间的撕裂?身体中的细胞能“长”到一起需要细胞间的互相接触和识别,而这种接触和识别是通过蛋白质分子来实现的。蛋白分子间的接触如一把钥匙开一把锁,精细地接触开启细胞内的很多机器,并逐渐加强两个细胞之间的联系。在打印心脏的时候,“墨水”里的心肌细胞是球状而互相没有接触的,打印后,需要细胞长在一起变成成熟的心肌细胞,而且细胞间需要大量的蛋白分子连接。前述那位美国大学神经科学系教授为本刊描述了生物3D打印过程中的微观场景:当细胞从打印头落下时,分别会和其他细胞接触,此时蛋白质分子就会互相识别,但刚刚识别的时候只有几个分子互相接触,联系非常弱,如果大量细胞落下来,重力就会撕裂刚刚建成的联系,就好比一只大象可以轻易地扯断一根头发似的。

总而言之,由于重力的存在,打印出的心脏的细胞间缺乏紧密的联系,继而影响心脏的跳动频率,该心脏也就无法具有正常的泵血功能了。而如果在没有重力的太空中,细胞之间得以漂浮地凑到一起,蛋白分子就可以逐渐加强细胞间的联系,心脏才有可能整齐地跳动起来。

去外太空打印心脏

5年前,美国宇航局(NASA)就开始有计划地资助优秀的3D打印项目。今年5月,国际空间站(ISS)将可能迎来人类首次零重力环境下3D打印的心脏,全流程所耗费的成本大约在700万美元,其中发射的成本占到八成。

“美国宇航局正是希望在失重环境中减除3D打印过程中影响材料合成的因素。”谢鑫补充道。他的创业公司正在与美国宇航局探索如何利用国际空间站上的微重力环境进行人造器官组织的研究,他对于在零重力环境下进行3D打印大型器官的态度是非常支持的。

阿萨夫·沙皮尔也知晓美国宇航局去外太空尝试3D打印心脏的计划。“那太贵了,我个人也不认为非去外太空才能实现这一结果。的确,当前的生物3D打印技术还不允许打印精细的、自然密集的血管系统,在地球上打印需要通过可承重支架(Support Medium)来一定程度上控制地球重力的影响,目前的操作就是使用细胞和水凝胶类似的材料混合打印,水凝胶本身没有力学结构支撑,所以需要外部支架来把细胞填充到孔隙中去。”

对此,谢鑫坚持认为,阿萨夫团队打印出的小尺寸心脏都需要可承重支架的支撑才可以完成打印,那么大尺寸器官打印的难度便可想而知。“在地球上3D打印完整的人体器官,纯粹的无支架是非常困难的,而支架的存在影响了细胞间的接触。尽管水凝胶支架可以调节软硬度,但在这个以色列的案例中为了保证承重力,必须要使用硬支架,细胞就不容易长得连在一起。”

这次跟着Space X上国际空间站的十几个项目中有一个叫Techshot的公司,已经为美国宇航局、太空探索公司和其他合作伙伴开发技术超过25年,它曾与nScrypt共同开发生物3D打印机,而正是nScrypt在2003年创造了世界上第一台3D生物打印机。从去年开始,Techshot与第三方机构共同研究如何实现在国际空间站中全自动地完成实验,它帮助满足长期深空探测任务的医疗需求,最终目标则是在太空中建立器官制造工厂,来确保人类等待3D打印器官的时间不会太久。该公司在公开场合的宣言颇具使命感:“我们的目标是在太空中实现可移植器官。”

2016年,Techshot与nScrypt使用成人人体干细胞在零重力环境中成功3D打印了心脏的血管结构。如果一切按计划进行的话,国际空间站在下个月就将拥有个性化定制、适合外太空环境的生物3D打印机,最重要的是能够3D打印更精细而复杂的组织。此处的关键词为“精细”,nScrypt董事长兼首席执行官肯尼斯·丘奇(Kenneth Church)博士在公开场合表达,nScrypt 3D生物打印机打印的细胞层比人的头发还要精细几倍。“这个差别,你可以想象成画画的时候握着细笔而不是蜡笔。”nScrypt BAT 3D打印机使用Smart Pump专利技术,为了可以更精确控制生物材料的流速,它具有低至100微升的体积控制,并且可以使用小至10微米的喷嘴。这对于打印人体器官的精细细节是必需的。

值得注意的是,去外太空打印也只是完整人体器官打印的一步。而即便实现,距离动物实验还有很长的路要走。“生物3D打印大器官首先要解决的便是自身重量造成的细胞间撕裂问题,不然后面的所有问题都没有意义。解决了这个问题之后再不断地优化细胞培养环境、细胞间通讯和生物材料的选择,才会慢慢朝着我们想要看到的方向发展。”谢鑫补充道。

退一步说,即便重力问题消除了,心脏可以整齐地跳动了,3D打印心脏的难点还没完——只有在血液源源不断地供给下,打印的器官或组织才能长时间存活。如何建立血管网络还没有明确的答案,而血循环问题几乎是3D打印实体器官的死穴。而心脏本身需要全身循环血液的10%左右来供养,一旦离开血液,所有器官都只能在4度低温的状态下“熬着”。如果打印细胞需要37度体温,几乎没有时间完成打印,因为先打上的细胞在打印还没完成的情况下就会因缺氧而死去。这也是阿萨夫·沙皮尔教授在采访中提到该实验的困难点。“我们现在要解决的瓶颈之一是如何为生长中的组织提供氧气和营养,以便从‘第0天’开始——从印刷结构从支持的培养基中提取出来的那一刻起——维持细胞的存活。为此,我们订购了一种定制的特殊生物反应器,可以在打印心脏的主要血管和腔室内循环含氧地生长介质。”

这个特制的“生物反应器”能解决问题吗?目前还不能验证。只是如果这种生物反应器有作用,应该早会在器官移植方面大显身手,今天的器官移植就不必争分夺秒地赶飞机了,完全可以从容地在“生物反应器”里住几天,再从容地移植。

即便亦步亦趋地,生物3D打印在一步步迈向科幻小说中的情节,阿萨夫仍在采访末尾中强调:“我希望我们永远不能打印出一个完整的人类。我们并不想做上帝,我们只是想帮助那些有心脏疾病的人。”

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