【新发现】首次!美国明尼苏达大学:3D打印厘米级人类心脏泵,能够正常运转

2020
07/20

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Lauren / 转化医学网
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研究人员在实验室里3-D打印了一个厘米级的人体心脏泵。这项发现可能对研究心脏病产生重大意义,心脏病是美国每年60多万人死亡的主要原因。

导言:在去年4月,以色列的科学家们成功用3-D打印出一颗“人造心脏”,这是人类首次成功设计并打印出一个具有细胞、血管、心室和心房的心脏。虽然这颗心脏里的细胞可以出现收缩,但不能像正常心脏一样搏动泵血。最近,美国明尼苏达大学的研究人员首次用3D打印厘米级人类心脏泵,能够正常运转。

在一项开创性的新研究中,明尼苏达大学(University of Minnesota)的研究人员在实验室里3-D打印了一个厘米级的人体心脏泵。这项发现可能对研究心脏病产生重大意义,心脏病是美国每年60多万人死亡的主要原因。

这项研究发表在美国心脏协会出版的《循环研究》杂志的封面上。

过去,研究人员曾尝试3-D打印从多能人类干细胞中提取出来的心肌细胞。多能干细胞是一种可以发展成体内任何类型细胞的细胞。研究人员将这些干细胞重新编程为心肌细胞,然后使用专门的3-D打印机在称为细胞外基质的三维结构中打印它们。问题是,科学家永远无法达到心脏肌肉细胞真正发挥作用的关键细胞密度。

在这项新的研究中,明尼苏达大学的研究人员改变了这一过程,并且成功了。

这项研究的首席研究员、明尼苏达大学科学与工程学院生物医学工程系主任布伦达·奥格尔(Brenda Ogle)表示,“一开始,我们尝试3-D打印心肌细胞,但失败了。后来,凭借我们团队在干细胞研究和3-D打印方面的专长,我们决定尝试一种新方法。我们优化了由细胞外基质蛋白制成的专用生物墨水,将生物墨水与人类干细胞结合,并使用生物墨水加细胞来3-D打印了心室结构。干细胞首先在结构中被扩展到高细胞密度,然后我们将它们分化成心肌细胞。”

摘要图解:A.人腔心脏泵(hChaMP)设计模板的横截面图。该模板来自于对人体心脏的磁共振成像扫描,该心脏被缩小了10倍(其最长轴处为1.3厘米,类似于老鼠心脏的大小),并经过修改以在心脏模板的腔室中形成一个单向流动环路。其目标是建立具有连续肌肉和相关泵功能的几何结构复杂的心脏组织。B.该小组指定了独特的类器官方法来产生hChaMP,其中人类诱导的多能干细胞(hiPSCs)以优化的方式沉积,基于细胞外基质的生物墨水,使多能干细胞扩张到组织样密度,并随后分化为心肌细胞。随着时间的推移,hChaMP可以同步跳动,建立压力,并像活泵一样使液体运转。

研究小组发现,他们首次可以在不到一个月的时间内达到细胞密度高的目标,使细胞能够像人类心脏一样一起跳动。

奥格尔表示,这是心脏研究的一个重要进展,因为这项新研究显示了他们如何能够以一种能够组织和协同工作的方式3-D打印心肌细胞。因为这些细胞是在彼此相邻的地方分化的,这更类似于干细胞在体内生长的方式,然后变成心肌细胞。

与过去其他备受关注的研究相比,这项发现创造了一个类似于封闭的囊状结构,有一个液体入口和一个液体出口,研究人员可以在这里测量心脏如何使血液在体内流动。这使得这个囊状结构成为研究心脏功能的宝贵工具。

人体心室肌泵的电化学功能

人体心室肌泵(hChaMPs)的机械功能

奥格尔表示,“我们现在有了一个模型来追踪和追踪在细胞和分子水平上的泵结构发生了什么,开始接近人类心脏。接下来,我们可以将疾病和损伤引入模型,然后研究药物和其他疗法的效果。”

心脏肌肉模型大约1.5厘米长,是专门设计适合进入老鼠的腹腔进一步研究。

虽然这些看起来是一个简单的概念,但如何实现它是相当复杂的。研究人员已经看到了这种潜力,他们认为这项新发现可能会对心脏研究产生革命性的影响。

参考:

【1】https://medicalxpress.com/news/2020-07-3d-heart-real-human-cells.html

【2】https://www.ahajournals.org/doi/10.1161/CIRCRESAHA.119.316155


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关键词:
研究,心脏,细胞,打印,人员

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