使用病患自身細胞,科學家成功製造全球首顆 3D 列印心臟
以色列特拉維夫大學(Tel Aviv University,TAU)的科學家使用了一位病患自身細胞及生物材料,以 3D 列印技術,成功製造出全球第一顆 3D 列印並帶有血管的人工心臟。
「列印」心臟
領導這項研究的特拉維夫大學塔·迪爾教授(Tal Dvir)表示:「要產生完全吻合病患的厚血管組織,對於心臟組織工程上仍然是個挑戰。人們在過去嘗試過 3D 列印心臟結構,但不帶有細胞或血管。這是世界上第一次有人成功的製造並列印出一個充滿細胞、血管、心室及心房的完整心臟。這顆心臟是用人類細胞以及病患特異性生物材料製成。」
迪爾教授表示,方法的關鍵在於使用病患特異性生物材料,成功製造出組織與器官。迪爾教授表示:「使用工程材料的生物相容性很重要,因為要消除移植排斥反應,避免危及該治療的成功。理想上來說,生物材料應該要包含與病患體內材料相同的生化、機械及表面性質。在此研究中,我們發現了一種簡單的方法,用來 3D 列印出厚、血管化且可灌流的心臟補片(Patch),該補片可以完全與病患體內的免疫、細胞、生化及解剖生理吻合。」
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研究團隊從病患體內腹部附近的脂肪組織進行了活體切片,接著將組織的細胞及非細胞材料分離。細胞會重新編輯成多功能幹細胞,而由膠原蛋白(collagen)或醣蛋白(glycoproteins)組成的細胞外基質(extracellular matrix,ECM)會成為水凝膠,作為列印用的生物墨水(bioink)。當幹細胞與水凝膠混合後,幹細胞會分化成心肌細胞(cardiomyocyte)或內皮細胞(endothelial cell),來創造出每個病患特有、免疫相容且帶有血管的心臟補片。最後,再成為整顆心臟。
研究人員表示:「我們能夠根據病患的解剖生理列印出功能性血管補片。而且,血管構造可藉由氧氣傳輸的數學模型加以改善。我們在體外研究補片的結構及功能,也在補片移植到體內後得到心臟細胞的型態,其中我們發現許多延長且帶有輔肌動蛋白(actinin)條紋的心肌細胞。最後,作為該研究的證明,我們列印出帶有正常結構的細胞化人類心臟。」
迪爾教授表示:「在過程中,這些由醣類及蛋白質所構成的材料被視為生物墨水,可用 3D 列印複雜組織。我們的結果顯示,此法可以在未來用於製造個人化組織及器官,或者在適當的解剖結構或特殊病人微生化環境中用於藥物篩檢。目前我們的 3D 心臟只有兔子的大小,但可用同樣技術做出標準的人類心臟。」
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研究人員現在打算在實驗室內培養列印出來的心臟,並「教導它們」表現得像一般心臟。接著、他們計畫將該 3D 列印心臟移植到動物體內。迪爾教授表示:「我們必須進一步發展 3D 列印的心臟。細胞必須具有幫浦的能力。目前它們可以收縮,但我們需要它們一起運作。我們希望我們能成功並證明該方法的效率及可用性。或許,在十年內,世界上最好的醫院中會出現器官列印機,然後這些程序會規律地運作。」
資料來源:
- News, (2019, Apr 16). First 3D Engineered Vascularized Human Heart Is Bioprinted. Genetic Engineering and Biotechnology News
- Noor, N. et al., (2019, Apr 15). 3D Printing of Personalized Thick and Perfusable Cardiac Patches and Hearts. DOI: 10.1002/advs.201900344