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3D打印心脏组织的进展和正在进行的挑战

摘要: 在最近发表的“ 3D生物打印及其对心力衰竭治疗的潜在影响:行业角度”中,探索了心脏医学中组织工程的潜力以及最终组装的生物打印心脏。虽然心力衰竭通常需要进行移植,但要找到合适的供体可能具有挑战性。移植一旦 ...

在最近发表的“ 3D打印及其对心力衰竭治疗的潜在影响:行业角度”中,探索了心脏医学中组织工程的潜力以及最终组装的生物打印心脏。

虽然心力衰竭通常需要进行移植,但要找到合适的供体可能具有挑战性。移植一旦完成,就需要永久性的免疫抑制疗法,这对患者来说是艰巨的任务,因此还有很长的路要走。患者的通常生存率通常在13岁以下。

这组作者说:“目前,在美国,有超过620万心力衰竭患者,而心力衰竭在2016年的死亡人数为78,356人。”

在这项研究中,研究人员回顾了生物打印对创建心脏组织的挑战,以及“对人类心脏进行生物打印的逻辑和系统过程”。

尽管医学界充满了进步的工具,治疗方法和设备,尤其是对于心脏病患者,但对于最终制造器官而言,没有什么技术比组织工程技术更有希望了。由于具有产生由“生物和人工构造”组成的生物预制心脏的潜力,可以通过模块化部件轻松实现整个心脏的出现。

组织工程的定义-组织工程的基础是细胞,生物材料和生物反应器。细胞是所有组织和器官的功能元素,而生物材料旨在模拟哺乳动物的细胞外基质并提供结构支持。生物反应器是为3D组织/器官发育和成熟提供生理线索的定制设备。电刺激由平行电极传递,而单轴拉伸(如单箭头所示)设计为应用生物工程组织的循环运动。

心脏组织工程包括:

3D打印的心脏贴片

生物泵

心室

阀门

血管

全面的生物人工心脏

作者解释说:“对心脏或整个生物人工心脏进行生物工程改造的能力,都在改变心脏疾病患者的护理标准方面得到了应用。” “取决于患者的严重程度,心脏补丁可能足以增强失去的收缩功能,而在慢性心力衰竭的情况下,可能需要总的生物人工心脏。

除了细胞的空间调节外,生物打印还可以精确放置生物材料。这就是3D生物打印提供强大功能的地方,它使我们能够以非常特定的模式准确定位不同的细胞类型,从而可以严格控制心脏生物工程过程。”

心脏组织工程概述-心脏组织工程领域包括生物工程收缩3D心肌,生物脉动泵,生物工程左心室,生物人工瓣膜和血管移植物以及生物人工心脏的方法。收缩性3D心肌旨在复制哺乳动物心肌组织的特性,并且可以用作斑块以增加心肌梗塞后左心室的压力。脉动泵旨在产生腔内压力,可用作生物泵。左心室可作为心脏的组成部分,或在发育不良的左心综合征的儿科病例中代替表现不佳的心室。瓣膜和血管移植物可用于替代哺乳动物的瓣膜和血管,或用作生物工程心脏的组成部分。

人类心脏的主要组成部分-人类心脏由四个腔室,四个瓣膜,心脏传导系统,收缩性心肌细胞和复杂的脉管系统组成。四个腔室分别是左,右心室和主动脉,而四个瓣膜是主动脉瓣和二尖瓣以及肺和三尖瓣。心脏传导系统由SAN,AVN,His束和Purkinje纤维组成。心脏血管系统由较大的血管和较小的微循环组成。心肌细胞是负责心肌收缩的细胞。

迄今为止,大多数涉及对心脏组织进行生物打印的研究都表明了“对心脏进行生物打印的初步可行性”。随着当今可用的研究和工具数量的增加,这种进步是不可避免的。

作者说:“基于目前整个心脏生物工程技术的最新水平,我们可以肯定地说,尽管我们不能为实现这一命运指定具体的时间框架,但可以将人类心脏用于临床移植。”

人类心脏的生物打印始于2003年组织工程的最初历史,然后在几年后进一步研究。

3D生物打印过程-将分离的细胞悬浮在定制的生物墨水中,然后装入注射器中。对心脏进行生物打印所需的细胞的例子包括收缩性心肌细胞,传导起搏器和浦肯野细胞,结构性成纤维细胞和血管平滑肌细胞以及内皮细胞。气动压力用于通过打印头挤出装有细胞的生物墨水,而逐层方法用于构建组织和/或器官

3D生物打印人类心脏的科学突破。

在生物打印和随后的心脏组织制造中,成功的发展一直持续迅速,这使科学家们在这种锻炼中实现的幻想更少,而更多的是现实。

对人的心脏进行生物打印的过程-患者的MRI图像用于对心脏进行建模。从患者皮肤活检组织中分离出皮肤成纤维细胞,并将其转化为iPS细胞,然后转化为心肌细胞。心肌细胞与生物墨水结合在一起,用于对患者特定的人心脏进行生物打印。生物印迹心脏在生物反应器中进行调节,并用于移植。

对心脏进行生物打印的路线图包括:

微循环的3D打印

冠状大血管结构的构建

心脏传导系统的3D打印

心脏瓣膜的3D打印

心肌的3D打印

研究人员总结说:“该领域需要克服的最重要的挑战,通常是干扰心脏干细胞治疗领域的挑战,是重新编程的心肌细胞的不成熟。” “ iPS细胞向心肌细胞的转化现在是标准且可重现的,分化的细胞类似于胚胎表型,将这些细胞驱动为成年表型仍然是心脏干细胞治疗领域的关键挑战。

“一旦由独立研究实验室复制,再加上可用于机电刺激的商业生物反应器,成熟心肌细胞的可利用性将为3D打印人心脏的临床移植提供一条清晰的途径。”

从心脏斑块和细胞化的心脏到心脏瓣膜的形成,生物印记如今已被广泛应用,最终形成了细胞培养的整体转化。


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本文作者
2020-3-25 10:49
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