研究人員使用干細胞3D打印心臟，新的技術(shù)已經(jīng)遠超普通人的理解
時間：2021-09-24 17:52 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
據(jù)世界心臟聯(lián)盟統(tǒng)計，在全世界范圍內(nèi)，每死亡3人，就有1人的死因是心血管病癥。每年，心血管疾病死亡人數(shù)占全球死亡總?cè)藬?shù)的29%，中國心血管病患者2.9億，每5例死亡者中有2例死于心血管病。在一項開創(chuàng)性的新研究中，明尼蘇達大學的研究人員在實驗室使用干細胞，打印出了一種功能良好的厘米級人體心臟泵。這一發(fā)現(xiàn)可能對研究心臟病產(chǎn)生重大影響，這項研究發(fā)表在美國心臟協(xié)會的出版物《流通研究》中。
短期內(nèi)，這項研究可以幫助研究人員更好的了解心臟的功能機制，幫助尋找應用心臟疾病的藥物或手術(shù)方法；長期來看，隨著干細胞再生醫(yī)學的完善，研究人員甚至能使用干細胞打印出合適的人類心臟，替換原本損傷的心臟。過去，研究人員也曾嘗試用3D打印心肌細胞，使用的是人體多能干細胞（多能干細胞是指有潛力發(fā)展成體內(nèi)任何類型細胞的細胞）。研究人員將這些干細胞重新編程為心肌細胞，然后使用專門的3D打印機打印他們在一個三維結(jié)構(gòu)，稱為細胞外基質(zhì)。問題是，科學家永遠無法達到心肌細胞真正發(fā)揮作用的臨界細胞密度。
盡管人類早已掌握了人工培養(yǎng)簡單人體組織的技術(shù)，但想要生產(chǎn)一顆完全匹配患者的免疫學、細胞、生物化學和解剖學特性的心臟，還是難上加難。尤其是在心臟中，復雜的血管網(wǎng)絡和其上附著的肌肉組織需要嚴格符合正常心臟解剖結(jié)構(gòu)，才能保證心臟的正常工作。
而這項新的研究中，明尼蘇達大學的研究人員改變了這一過程，并取得了成效。
“起初，我們嘗試了3D打印心肌細胞，結(jié)果失敗了，”這項研究的首席研究員、明尼蘇達大學科學與工程學院生物醫(yī)學工程系主任布倫達·奧格爾(BrendaOgle)說，“因此，憑借我們團隊的專業(yè)知識，潛心研究干細胞和3D打印技術(shù)，我們決定嘗試一種新的方法。
我們優(yōu)化了由細胞外基質(zhì)蛋白制成的專用“油墨”，將油墨與干細胞結(jié)合，并利用油墨+干細胞進行三維打印。干細胞首先擴展到結(jié)構(gòu)中的高細胞密度，然后我們將其分化為心肌細胞。研究小組發(fā)現(xiàn)，在不到一個月的時間內(nèi)，他們就能第一次實現(xiàn)高細胞密度的目標，讓細胞像人的心臟一樣一起跳動。明尼蘇達大學干細胞研究所的主任奧格爾回憶說：“當時經(jīng)過多年的研究，我們也曾一度準備放棄，但是我的兩個生物醫(yī)學工程博士，莫莉庫普弗和林偉漢，建議我們嘗試先打印干細胞，我們決定做最后一次嘗試。當我們看著實驗室里的盤子時，我簡直不敢相信，看到整個“打印物”自發(fā)地、同步地收縮，并且能夠自由地移動。”
奧格爾表示，這是心臟研究的一個關鍵進展，因為這項新的研究顯示了他們?nèi)绾文軌蛞砸环N細胞組織和協(xié)同作用的方式打印出心肌細胞。因為這些細胞是相互分化的，所以更像干細胞在體內(nèi)生長，然后成功生長為心肌細胞。
這次研究制作的心臟模型長約1.5厘米，與19年世界首個打印的心臟是不一樣的，這是專為進一步研究而設計的適合于小鼠腹腔的心臟模型。奧格爾說：“我們現(xiàn)在有了一個模型來跟蹤和追蹤在心臟結(jié)構(gòu)中細胞和分子水平上正在發(fā)生的事情，它開始越來越接近人的心臟。我們可以在模型中引入疾病和損傷，然后研究藥物和其他療法的效果。”使用干細胞打印心臟似乎是一個簡單的概念，但如何實現(xiàn)這一點是相當復雜的，現(xiàn)在研究人員看到了其中的潛力，相信接下來的研究中，研究人員將會有更大的收獲。
短期內(nèi)，這項研究可以幫助研究人員更好的了解心臟的功能機制，幫助尋找應用心臟疾病的藥物或手術(shù)方法；長期來看，隨著干細胞再生醫(yī)學的完善，研究人員甚至能使用干細胞打印出合適的人類心臟，替換原本損傷的心臟。過去，研究人員也曾嘗試用3D打印心肌細胞，使用的是人體多能干細胞（多能干細胞是指有潛力發(fā)展成體內(nèi)任何類型細胞的細胞）。研究人員將這些干細胞重新編程為心肌細胞，然后使用專門的3D打印機打印他們在一個三維結(jié)構(gòu)，稱為細胞外基質(zhì)。問題是，科學家永遠無法達到心肌細胞真正發(fā)揮作用的臨界細胞密度。
盡管人類早已掌握了人工培養(yǎng)簡單人體組織的技術(shù)，但想要生產(chǎn)一顆完全匹配患者的免疫學、細胞、生物化學和解剖學特性的心臟，還是難上加難。尤其是在心臟中，復雜的血管網(wǎng)絡和其上附著的肌肉組織需要嚴格符合正常心臟解剖結(jié)構(gòu)，才能保證心臟的正常工作。
而這項新的研究中，明尼蘇達大學的研究人員改變了這一過程，并取得了成效。
“起初，我們嘗試了3D打印心肌細胞，結(jié)果失敗了，”這項研究的首席研究員、明尼蘇達大學科學與工程學院生物醫(yī)學工程系主任布倫達·奧格爾(BrendaOgle)說，“因此，憑借我們團隊的專業(yè)知識，潛心研究干細胞和3D打印技術(shù)，我們決定嘗試一種新的方法。
我們優(yōu)化了由細胞外基質(zhì)蛋白制成的專用“油墨”，將油墨與干細胞結(jié)合，并利用油墨+干細胞進行三維打印。干細胞首先擴展到結(jié)構(gòu)中的高細胞密度，然后我們將其分化為心肌細胞。研究小組發(fā)現(xiàn)，在不到一個月的時間內(nèi)，他們就能第一次實現(xiàn)高細胞密度的目標，讓細胞像人的心臟一樣一起跳動。明尼蘇達大學干細胞研究所的主任奧格爾回憶說：“當時經(jīng)過多年的研究，我們也曾一度準備放棄，但是我的兩個生物醫(yī)學工程博士，莫莉庫普弗和林偉漢，建議我們嘗試先打印干細胞，我們決定做最后一次嘗試。當我們看著實驗室里的盤子時，我簡直不敢相信，看到整個“打印物”自發(fā)地、同步地收縮，并且能夠自由地移動。”
奧格爾表示，這是心臟研究的一個關鍵進展，因為這項新的研究顯示了他們?nèi)绾文軌蛞砸环N細胞組織和協(xié)同作用的方式打印出心肌細胞。因為這些細胞是相互分化的，所以更像干細胞在體內(nèi)生長，然后成功生長為心肌細胞。
這次研究制作的心臟模型長約1.5厘米，與19年世界首個打印的心臟是不一樣的，這是專為進一步研究而設計的適合于小鼠腹腔的心臟模型。奧格爾說：“我們現(xiàn)在有了一個模型來跟蹤和追蹤在心臟結(jié)構(gòu)中細胞和分子水平上正在發(fā)生的事情，它開始越來越接近人的心臟。我們可以在模型中引入疾病和損傷，然后研究藥物和其他療法的效果。”使用干細胞打印心臟似乎是一個簡單的概念，但如何實現(xiàn)這一點是相當復雜的，現(xiàn)在研究人員看到了其中的潛力，相信接下來的研究中，研究人員將會有更大的收獲。
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