美科學家3D列印人類心臟組織，可實現部分心臟功能

新聞 08-05

一種史無前例的技術方法，它使得組織工程學向著 3D 列印出全尺寸的成人心臟又邁進了一大步。

卡內基梅隆大學（Carnegie Mellon University）的研究人員於 8 月 2 日在Science雜誌上發表了一篇論文，介紹了一種新的、採用膠原蛋白來 3D 生物列印出人體組織結構的技術。其中所使用的列印材料膠原蛋白，正是人體的主要結構蛋白。

在該研究中，論文的第一作者 Andrew Lee 和他的同事，採用心肌細胞和膠原蛋白雙材料的列印策略，列印出一個左心室模型，並進一步分析了該模型的功能，觀察到了心率失常相關的電生理行為和心室收縮現象。他們甚至進一步列印出相當於新生兒的人體心臟膠原模型，證明了 FRESH2.0 列印大型結構的能力。

圖 | 3D 列印膠原蛋白技術，可以構造出人類心臟的全部功能部件。（來源：卡內基梅隆大學）

把細胞和膠原蛋白作為「墨水」

這項技術被其研究團隊稱為「懸浮水凝膠的自由可逆嵌入」（Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels, FRESH），該技術的發現幫助研究人員克服了現有 3D 生物列印技術涉及的諸多問題，並利用「柔軟而有生命」的活體材料，讓列印出的組織結構達到前所未有的解析度和保真度。

3D 列印是一種以數字模型為基礎，採用各自不同的材料，通過逐層疊加的方式來構造物體的技術。技術出現伊始，常用於模具製造、工業設計等領域，後逐漸用於一些產品的直接製造。

最早在 2000 年前後， 3D 生物列印這一技術概念由美國幾所大學的教授提出；至 2003 年， Mironv V 和 Boland T 在Trends in Biotechnology雜誌系統地提出了「器官 3D 列印」這一概念。

儘管 3D 列印技術的潛力巨大，但受限於生物組織的保真度差、列印的解析度低等技術限制， 3D 列印技術在生物醫學領域的廣泛應用受到了極大掣肘。特別是用活細胞列印和製造膠原蛋白等軟質生物材料，這兩個被寄予厚望的研究目標一直舉步維艱。

如今，這項最新研究突破了這一技術瓶頸。

Andrew Lee 在 2015 年第一次提出該方法（FRESH），經過了 4 年多的不斷改良和研發，到了 FRESH v2.0 版本， 3D 生物列印技術利用 pH 值的快速變化，可使擠壓出的膠原蛋白凝固，並實現精確控制。

FRESH v2.0 的 3D 生物列印技術可以創建出擁有複雜功能的組織結構，並能將其進一步嵌入活細胞或複雜的血管系統中，其列印解析度可達 10 μm 。Lee 和他的同事用這種方法，可以完全依靠膠原蛋白和人體細胞來製造出人類心臟的各個部分，包括心臟組織、收縮心室，甚至是新生兒尺寸的心臟。

圖 | 通過 FRESH 3D 生物列印技術列印出的三尖瓣小葉心臟瓣膜（左上）、多尺度的血管系統（右上）和相當於新生兒尺寸的心臟（中下）（來源：Science）

創新的列印技術

人體的每一個器官，都是由一種叫做細胞外基質（extracellular matrix，ECM）的生物支架，將各種特殊的細胞組成在一起的。這種 ECM 蛋白網路可以提供人體細胞正常功能運轉所需的結構和生化信號。這個 ECM 架構如此複雜，以至到目前為止，研究人員還沒有發現任何使用傳統的生物製造方法來重建的可能。

傳統方法遇阻，很多科研人員都轉向 3D 生物列印的研究，以期獲得突破。

卡內基梅隆大學材料科學與工程、生物醫學工程教授 Adam Feinberg 說：「我們的研究團隊已經證明了，我們可以採用心臟的細胞和膠原蛋白來列印出部分心臟，這是擁有真正心臟功能的部分，比如一個心臟瓣膜或者一個跳動的心室。」 Adam Feinberg 也是這項研究的指導者。

「通過使用人類心臟的 MRI （核磁共振成像）數據，我們能夠準確地重現被檢測者的特定解剖結構、 3D 生物列印的膠原蛋白和人類心臟細胞。」 Adam Feinberg 如此表示。

膠原蛋白是一種非常理想的 3D 生物列印材料，因為它幾乎構成了人類身體的每一個組織。但是之前 3D 生物列印所面臨的重重困難，就因為膠原蛋白是液態的。「如果你想在空氣中列印出來膠原蛋白，它只會在你的構建平台上留下一灘水坑。」論文的另一位第一作者 Andrew Hudson 表示。他也是 Adam Feinberg 的博士生。

「為了避免上述情況，我們開發了一種技術來防止它變形（或者流動）。」 Andrew Hudson 說。

圖 | 將酸化的膠原蛋白溶液擠出到 pH 值為 7.4 的 FRESH 技術支持的凝膠支撐液中，可快速中和使膠原蛋白凝膠化，形成膠原蛋白絲（來源：Science ）

Feinberg 實驗室開發的 FRESH 3D 生物列印技術，可以讓膠原蛋白在凝膠支撐液中逐層沉積，使膠原蛋白在支撐液中凝固成形。當列印完成後，把凝膠支撐液從室溫加熱至體溫，即可將其融化。這樣一來，研究人員就可以在不破壞膠原蛋白或細胞列印結構的前提下，移除支撐凝膠。

對 3D 生物列印的長遠影響

對於 3D 生物列印領域來說，相比於之前採用其他材料做出的突破， FRESH 技術的發現是真正令人感到興奮的。因為它可以用膠原支架列印出大規模的人體器官。

在今年 4 月，以色列特拉維夫大學（Tel Aviv University）的研究團隊採用人體組織首次 3D 列印出了一顆心臟，而在此之前，人們所列印出的心臟通常採用的都是人工材料。

圖 | 以色列特拉維夫大學研究團隊 3D 列印心臟的過程（來源：Tel Aviv University）

特拉維夫大學的研究團隊所列印出的這顆心臟是一個微縮模型，僅有櫻桃大小（相當於兔子的心臟），雖然是帶有血管和細胞的完整心臟，但並不能統一地收縮和舒張，不具備泵血功能。而且從器官體積來看，如果想達到列印出人類心臟大小的程度，實際還需要長期的研究。

圖 | 以色列特拉維夫大學首次 3D 列印的心臟只有櫻桃大小（來源：Tel Aviv University）

對於 FRESH 技術，其不僅限於膠原蛋白的 3D 列印，纖維蛋白、藻酸鹽、透明質酸等多種軟性凝膠均可採用該技術來實現 3D 列印，這就為組織工程學提供了一個強大的、適用性廣泛的平台。

另外很關鍵的一點是，研究人員同時開發了數字建模的開源設計，這樣可以讓任何人——不論是在醫學實驗室的研究人員，還是在高中大學校園裡的學生——都可以用較低的成本構建出自己的高性能 3D 生物印表機。

著眼於未來， FRESH 技術在再生醫學領域的許多方面都能得以應用，從傷口修復到器官生物工程，橫跨多個方向。在美國，目前有 4000 多名患者正在排隊等待心臟移植，而世界範圍內，則更是有數百萬人需要心臟，但卻沒有資格進入等候名單。所以市場對替代器官的需求是相當大的，需要有新的方法來修復、補充或者製造出能長期替代器官功能的人造器官。

Adam Feinberg 也是卡內基梅隆大學生物工程器官計劃的成員之一，而 FRESH 就是他正努力用新一代生物工程器官技術來解決各種問題的辦法。他表示：「我們真正討論的是技術的融合。不僅僅是我的實驗室在 3D 生物列印方面所做的，還有其他實驗室和一些公司在幹細胞科學、機器學習、計算機模擬，以及新的 3D 生物列印技術硬體和軟體方向上所做的工作。」

2018 年，卡內基梅隆大學的再生生物材料和治療集團利用 FRESH 技術創立了 FLuidForm 公司，並與開源 3D 印表機製造商 Aleph Objects 合作，攜手進入 3D 生物列印市場。對 Aleph Objects 的 CEO 兼總裁 Grant Flaharty 來說，這項合作讓他們成為未來 8~9 年內預計將增長到近 20 億美元的新市場的一部分。

Grant Flaharty 表示：「把工程領域驗證過的專業 3D 印表機和硬體專業技術，與 3D 生物製造技術相結合，這將成為一件會改變遊戲規則的事。我們非常願意用 3D 生物印表機來構建真正的人體功能組織。」

當然，目前 3D 生物列印技術，還處於一個初期階段。「重要的是要明白，還有許多年的研究尚待完成。」 Adam Feinberg 補充道，「但是，我們仍然應該為此（FRESH技術）感到驕傲。因為我們在設計人體功能性組織和器官方面取得了真正的進展與突破，而這篇論文就是沿著這條道路邁出的重要一步。」

清華大學機械工程系教授孫偉在接受「知識分子」公號採訪時，對這項技術給出了自己的預測，「我樂觀估計我們離這一天大概還需要 15 年的努力。」

-End-

參考：

3D bioprinting of collagen to rebuild components of the human heart, A. Lee, A. R. Hudson, D. J. Shiwarski, etc. Science, August 1, 2019

http://www.sciencemag.org/about/science-licenses-journal-article-reuse