技术 | 人体胶原支架“上位”，3D打印心脏是否“可期”？

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一、背景

心血管疾病（CVD）是全球造成死亡最多的病因。根据世卫组织（WHO）数据显示，2016年约有1790万人死于CVD，占全球死亡总数的31%。其中85%死于心脏病或中风。

作为目前针对心力衰竭患者晚期、末期的有效治疗方法，心脏移植仍然受限制于来源不稳定的心脏供体。目前的临床移植来源通常包括病人自己、捐赠者、动物或人工合成的移植组织，比如目前晚期心力衰竭一般的治疗方法是异体心脏移植。尽管每种类型的移植物都有望治疗CVD，但每种移植物都有其自身的缺点，包括（但不限于）供体器官短缺、免疫排斥反应和治疗时间有限等。

针对这些难题，早已在医疗领域多点开花的3D生物打印技术可能会在未来的组织和器官移植治疗上大放异彩。由于自体干细胞和异体干细胞具有降低移植物免疫排斥反应、降低血栓形成效应、并有望使组织按需供应的潜力，因此利用自体干细胞和异体干细胞是心脏组织工程研究和3D生物打印的热点。此外，3D生物打印还致力于通过设计生物相容性高、支撑力强的组织支架结合细胞应用到临床，来治疗选择有限的疾病，如终心脏衰竭等。

以1984年Charles W Hull申请的立体光刻专利为起始点，3D打印技术至今已经历了35年的发展。虽然3D打印用于心脏组织的研究还处于早期阶段，但是进入2019年，3D打印心脏技术壁垒不断被突破，相关研究硕果累累，可以说是心脏器官打印的“元年”。

二、3D打印出可正常工作心脏组织

研究负责人Adam Feinberg教授

今年8月初，美国卡耐基梅隆大学（Carnegie Mellon University）的研究人员开发出一种新的3D生物打印技术，利用胶原蛋白替代人工合成材料作为3D打印材料，制造出了图案复杂的高分辨率人体器官组织支架。利用该项技术，AdamFeinberg教授等成功打印出了各种心脏部件，如毛细血管，可收缩心室，新生儿心脏大小的人类心脏模型（包括血管系统、瓣膜等复杂结构）等，其分辨率远远超越了此前研究技术中100~500微米，高达20微米。

成人心脏瓣膜三维模型

新生儿胶原心脏及模型

胶原蛋白是人体的一种结构蛋白，同时也是细胞外基质的主要成分，人体几乎每个组织都由胶原蛋白构成。它们有足够的机械强度，可以为细胞和组织成分提供结构空间。因此，胶原蛋白所制备的生物支架将具有复制组织和器官结构和功能的能力，所以胶原蛋白在3D器官打印中也被认为是一种理想的生物打印材料。

但是要用天然的胶原蛋白做3D打印的生物墨水还具有一定的挑战性。因为凝胶化通常是通过热驱动的自组装来实现的，这个过程不好控制，因此很难用天然未变性的胶原蛋白来构建3D生物打印复合支架。这项研究的共同一作Andrew Hudson博士形容说：“它是液态的，假如你想在空气中把它打印出来，那么你只会在制作平台上得到一滩水。”

“FRESH”打印的胶原蛋白管结构

Adam Feinberg教授所在团队开发的这种新技术——“悬浮水凝胶的自由可逆式嵌入”（Freeform Reversible Embedding ofSuspended Hydrogels）简称“FRESH”克服了这个问题。在打印中以明胶作为结构支撑，以特定浓度的胶原蛋白为材料，从灵活的打印喷嘴中被挤出后，可以在支撑胶中逐层沉积和凝固成型。最后，通过调节温度变化（从室温至体温），就可以让原本支撑用的明胶融化的同时，保持打印出来的胶原蛋白结构的完好，以及嵌入到胶原蛋白中细胞的完整。同时，他们通过实现快速的pH值变化来驱动内胶原蛋白自组装缓冲材料的支持，实现了（1）使用未经化学修饰的胶原蛋白作为生物墨水；（2）通过提高胶原蛋白浓度（12到24毫克/毫升）增加了力学性能；（3）创建了复杂的结构和功能的组织架构。

可收缩的“FRESH”3D生物打印人左心室模型

利用此技术他们打印出了由胶原蛋白和人类胚胎干细胞来源的心肌细胞打印出的左心室模型，保证其打印精度大幅提高的同时，兼具人类心室应有的完整结构和自发搏动功能以及对外泵血的功能。他们将胶原打印成左心室内外壁，中间夹层为人胚胎干细胞来源的心肌细胞(HSCS-CMS)和2%的心肌成纤维细胞。打印后培养的第4天夹层细胞就已经开始收缩，而在第7天后他们发现细胞已经分化连接到一起并开始同步收缩。在之后收缩过程中，打印的心室不断向内和向外扩张增厚，而心室壁增厚恰恰是正常心室收缩的一个标志。

此外，FRESH技术的发明为组织工程中如纤维蛋白、透明质酸、藻酸盐等各种软性生物材料的打印都供了一个适应性强大的平台。这项新技术无疑是心血管组织工程时代向3D打印全尺寸成人心脏时代迈进的重要里程碑。

三、3D打印自体细胞来源的心脏

早在今年4月份，以色列特拉维夫大学的研究人员们就已经实现了利用取自病人自身的人体组织，第一次成功设计并打印出了充满细胞、血管、心腔的完整心脏，为临床移植提供了可能性。   

3D打印“mini”心脏：细胞和血管一应俱全

由于免疫排斥反应，接受异体植入物治疗的患者经常需要接受免疫抑制剂的治疗，这样可能会对患者造成其他不良的影响。所以一旦突破了自体组织构建的壁垒，接受治疗的患者将不再需要一直等待移植源或依靠药物来防止排斥反应。同时，特拉维夫大学的研究者还表示这项技术能依据患者不同的需求实现量身定做器官的“个性化需求”。就在前一年的11月份，该团队就已经通过结合患者自身的生物材料和细胞进行了自体植入物的设计，做出了适用于自体移植的组织，为五个月后的完整3D打印心脏打下了基础。

该团队的相关研究成果已发表在《Advanced Science》杂志上，他们之后计划用1-2年的时间将这些心脏移植到动物模型中。虽然打印这颗樱桃大小的心脏仅仅需要三到四个小时，但是后期在生物反应器中成熟培养的阶段却不止一个月，且只能收缩，不具备泵血能力，加上自体移植细胞的来源有限，难以实现全尺寸成人心脏的3D打印。

四、3D打印心脏的壁垒和市场预测

1. 3D打印心脏器官仍面临技术壁垒和认证门槛

尽管在国外3D打印心脏的研究报道已经硕果累累，但是3D打印心脏面临临床转化的使用仍具有诸多挑战。自体细胞虽然减缓了免疫排斥反应，但是充足的自体细胞来源仍然是难题。其次，虽然目前这项技术发展迅猛但也仅仅是刚刚起步，3D打印心脏的术后长期稳定性还没有进行多层次的验证。最重要的一点是要依据每个病人不同的情况实现对其原心脏的“百分百复制”即“个性化定制”，这将限制了完整心脏的大批量产业化和商业化，存在技术难度导致的完整培养周期长，成本高等问题。

而在国内，生物打印行业显然还没有完整心脏器官的打印技术。近几年，蓝光英诺曾利用实验动物自体间充质干细胞，通过自主研发的3D生物打印技术体系进行干细胞生物墨汁制备和3D生物血管打印，在植入实验动物体内，在保持间充质干细胞干性的条件下，调动体内自主再生能力实现血管再生，实验动物术后存活率为100%。

此外，在国内从事医疗3D打印领域，除了面临技术壁垒还有国家食品药品监督管理总局（CFDA）的认证门槛。虽然政府大力扶持3D打印公司，但是并没有放宽对该领域产品审批的要求。目前国内通过国家食品药品监督管理总局（CFDA）认证的3D打印产品仅几款非生物打印产品，如爱康医疗与北医三院合作的3D打印髋臼杯、3D打印人工椎体、3D打印脊柱椎间融合器和迈普医学3D打印硬脑（脊）膜补片等，而3D生物打印领域还没有通过CFDA认证的产品。

2. 3D生物打印未来市场可期

Gartner曾在2017年勾勒出3D打印技术的发展曲线图，图中显示在2017年3D生物打印仍处于萌芽期，用于生命科学研究将在5年－10年期间迎来成熟期。其预测的3D生物打印相关研究的发展趋势基本上与曲线吻合，但是预测仍有些超前。

3D打印技术的发展曲线图

据美国研究机构AlliedMarket Research的数据显示，来自医疗和外科中心的相关应用案例占据市场份额的三分之二，未来将有很长一段时间占据首要位置。除了，辅助医疗、制造部分人体器官，3D打印在提供订制、个性化的医疗设备方面有着较强的潜力。

据AlliedMarket Research统计，2015年全球3D打印医疗保健市场的销售额为5.79亿美元。前瞻产业研究院分析：“2015-2022年，全球3D打印医疗保健市场销售额年均复合增长率维持22%左右，到2022年全球销售额将突破23亿美元。”

此外，生物医药公司将成为该市场的主要推动力之一，因为生物打印出来的人工组织能够降低其药物开发成本和风险、缩短开发周期。

五、结语——未来临床转化是必然

3D生物打印技术的出现使心脏组织工程研究向临床相关的CVD治疗又买进了一步。虽然这一领域和相关技术还处于起步阶段，但3D生物打印技术在心肌、血管和心脏瓣膜等结构再生方面有着巨大的前景。新型生物墨水和高分辨率打印机的开发也将会进一步推动这一领域的发展，并最终实现构建完整器官的目标。此外，干细胞生物学的研究和心脏细胞的高通量生产有助于实现器官的按需构建。虽然还需要对人工心脏组织结构的植入和集成进行进一步的研究，但利用3D生物打印“魔法”，将工程化的心血管组织从实验室研究转化为临床应用指日可待。

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作者 张雨薇 |  编辑 王卓逸  |  排版 墨非

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