华人科学家发明出3D打印干细胞心脏补丁

应雨妍 发表于 2017-05-18 15:27 | 分类标签:心脏补丁干细胞3D打印

上个月,美国心脏协会(American Heart AssociaTIon)出版的《CirculaTIon Research》杂志上刊登了一篇研究,阿拉巴马大学伯明翰分校(UAB)的张建一( Jianyi Zhang)博士(研究的通讯作者)和明尼苏达大学的Brenda Ogle博士的团队共同研发出了一个以干细胞为基础的,可以修复心脏损伤的3D打印“心脏补丁”!研究的第一作者是张建一博士实验室的博士后Ling Gao,博士毕业于上海交通大学。

“心脏补丁”当然是为了修补心脏而生的,在一些心脏病发作的时候,患者的血液不能泵入心肌,心肌细胞就会“缺血而死”,即使患者被抢救了回来,但是大量心肌细胞的死亡还是会使心脏上出现“疤痕”,导致心脏功能受损。而我们的心脏又无法自己产生新的细胞去修复疤痕。更“糟心”的是,死亡的心肌组织会“牵连”周围的肌肉,使得“疤痕”慢慢扩大,为以后埋下了不小的安全隐患。

华人科学家发明出3D打印干细胞心脏补丁

张建一博士(右,曾就读于上海医科大学,现为复旦大学上海医学院)和Brenda Ogle博士(左)

目前,无论是美国,还是中国,心脏病都已经成为死亡率最高的一类疾病,每年,美国有36万人因心脏病死亡,我国更是超过300万,平均每5例死亡中就有2例是由于心脏病。在这样的大背景下,一些研究人员开始着手研究怎样“人为地简单快速修补心脏”。

目前,用干细胞来治疗疾病已经是很“火热”的研究方向了,心肌修复也不例外。过去已经有许多科学家尝试了简单移植干细胞的方法,但是干细胞移植后成功分化并存活的比例实在是不高,而且移植后的功能性如何、能不能进行电信号的传导都缺少验证。而这两个重要的点在新的研究中都取得了一定的进步。

首先,研究人员对小鼠心肌组织的细胞外基质(ECM)进行了3D扫描,ECM是由一些多糖、蛋白质构成的网架结构,分布在细胞表面和细胞间,起到连接组织结构、调节组织和细胞生理活动的作用。基于扫描结果,研究人员用生物可降解材料打印出了模拟小鼠心肌组织ECM的“支架”。

尤其值得一提的是,在研究中使用的扫描技术可以将分辨率<1μm的点准确的投射到打印材料上,因此打印出来的“支架”与小鼠本身的ECM是高度相似的。而且这也是首次将这种扫描技术成功地应用于组织工程支架的制造上。

有了支架这个“载体”,我们的干细胞就有了“据点”,大量的干细胞被放在支架上,形成了真正的“心脏补丁”。干细胞采用的是由人的心脏成纤维细胞重编程而来的诱导性多能干细胞(hiPSCs),放在支架上后,再诱导它们按照正常组织内细胞的2:1:1的比例分化为心肌细胞、平滑肌细胞和内皮细胞。

华人科学家发明出3D打印干细胞心脏补丁

D:3D打印出的支架;E:长满了细胞的支架;两图右下角均为局部放大

这样制作出来的补丁被研究人员简称为hCMP,在体外实验中,研究人员观察到它可以“与天然的心脏组织融为一体”,所携带的细胞的电信号传递也十分顺利。此外,研究人员证实,分化出的心肌细胞在“支架”上的7天存活率与目前常用的培养hiPSCs的Matrigel培养基是相差无几的。

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