使用病患自身細胞,科學家成功製造全球首顆 3D 列印心臟

科學家利用病患自身細胞製造出 3D 列印心臟(圖:Advanced Science)

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。」

研究方法與結果

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。」

未來目標

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:

  1. News, (2019, Apr 16). First 3D Engineered Vascularized Human Heart Is Bioprinted. Genetic Engineering and Biotechnology News
  2. Noor, N. et al., (2019, Apr 15). 3D Printing of Personalized Thick and Perfusable Cardiac Patches and Hearts. DOI: 10.1002/advs.201900344
黃威翔
黃威翔 117 文章
清華大學材料工程學系碩士畢業生。一個喜歡學外語,但又在科學領域打滾的平凡人,喜歡美食,日劇,電影,旅遊。

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