CCTV报道，iPS细胞+3D打印=人工心脏？来看看它长什么样
●目前尚无治疗心力衰竭的方式，只能药物缓解，无法根除，心脏移植是治疗心脏疾病的终极手段；
●通过iPS技术将自身体细胞诱导成全能干细胞，再结合3D打印技术，可在实验室重建人体心脏；
●利用iPS细胞+3D打印技术生产的心脏，有望大批量满足患者器官移植需求，终结“缺心”时代。
心脏是如此强大，它不知疲倦地跳动，维持着生命的运转，同时它又是如此脆弱，一旦心脏衰竭，最终可医疗的办法仅有：心脏移植。但超高的手术难度、供体的短缺、术后的排异反应...都是急需解决的难点。
随着以干细胞及生物医学为前沿的再生科技领域的快速发展，为心脏治疗带来了新的解决方案！
近日，央视CCTV报道了一项全球首次的使用iPS细胞+3D打印技术打造出的“人工心脏”！
△央视CCTV进行报道
2019年4月15日，以色列特拉维夫大学在《Advanced Science》发表了一篇论文，宣布成功用人体细胞制造出世界上首颗3D打印心脏，这颗心脏大约2cm，可以清晰的看到主血管等器官，虽然目前这个尺寸仅适合用于兔子，但是是货真价实具有细胞、血管、心室和心房的心脏！
△3D Printing of Personalized Thick and Perfusable Cardiac Patches and Hearts
虽然人工培养人体组织的技术不是新鲜事了，但是这次这项科研成果所形成的3D打印心脏是以人体细胞和具患者特异性的生物材料作为生物打印原料制成，是完全匹配患者的免疫学、细胞、生物化学和解剖学特性的心脏。
△3D打印心脏程序图
在研究中，研究人员从心脏衰竭的患者体内取出的网膜组织（网膜组织位于人类的内脏外部，起保护内脏作用），从网膜组织中分离出活细胞以及不含细胞的基质（胶原蛋白和糖蛋白等成分）。
其中，活细胞通过诱导多能干细胞（iPS）重新编程改造成可以分化的多能干细胞，分化出构成心脏主体的心脏细胞和构成血管的内皮细胞；
非细胞的基质部分则被加工成一种含纳米胶原纤维的凝胶材料，被用作3D打印“墨水”的基底。
△网膜组织变成了打印心脏的“墨水”的步骤
a.刚刚剥离出来的网膜组织
b.把细胞分离出后的基质
c.将基质做成的水凝胶
接着，将分化出的心肌细胞和内皮细胞分别封装于水凝胶中培养，形成3D打印所需的打印材料（具有患者特异性、无排异性的带血管的心脏组成部分）。
有了打印所需的“原材料”后就到了心脏建模的环节。
心脏的建模非常复杂，因为这世上没有两颗相同的心脏，复杂的血管网络和其附着的肌肉组织需要严格符合正常心脏解剖结构，才能保证心脏的正常工作，所以研究人员还得通过自行脑补来进行操作。
心脏的供血由冠脉血管完成，科研者通过对患者心脏进行CT扫描，识别心室里主要血管的3D结构和方向，通过计算机辅助三维重建了患者心脏冠脉系统中的大血管，由于较小的血管无法被探测到，科研人员借助数学模型，将较小的血管所需的氧气量以通过计算心脏中的血氧浓度来供给。
△心脏成像和贴片建模。
a&b.人类心脏和左心室冠状动脉的CT图像
c.工程贴片中的氧浓度分布模型
d.模型的重新计划显示出更好的氧扩散，足以支持细胞活力
万事俱备后，“人造心脏”诞生了！
△整颗心脏的打印过程
这颗心脏的“打印材料”及“粘合胶水”，都是来自患者本身的体细胞，这就意味着在未来如果能成功用3D打印出适用于人类的器官，那么经过移植手术之后患者发生排异反应的概率几乎为零。
干细胞与3D打印技术的结合，让心脏从零重建成为了可能，那么让人类真正用上心脏还有多远？
目前科研人员正在实验室中培养打印心脏的泵血等功能，并计划在动物模型中移植3D打印心脏的试验。
研究人员之一Tal Dvir教授表示，“尽管仍需要大量的研发投入，但我们希望这个概念验证能够推动个性化再生医学向临床应用再迈进一步。”并预期，“或许 10 年后，世界上那些最先进的医院将会配备器官打印机。”
干细胞不仅能作为“生物墨汁”，也能治病
在3D打印技术打印出的器官能用于移植手术之前，干细胞疗法是最有希望治愈各种疾病的手段。干细胞是一种未充分分化，尚不成熟的细胞，具有再生各种组织器官和人体的潜在功能，医学界称为“万用细胞”。
目前科研人员通过干细胞技术治疗心脏疾病，主要以以下两种方式：
■将干细胞转变为“培养皿中的心肌”。患有遗传性心脏病的患者，可以通过使其干细胞衍生的心肌细胞在实验室中进行病因研究，也可用于新药物的研制。
■干细胞提供了替代受损心脏组织的方法。通过细胞疗法来修复或替换因充血性心力衰竭和心脏病发作而受损的心脏组织。这是可以为心脏缺陷提供持久的疗法，而不是以缓解症状为重点的治疗。
目前在实验室中培养心肌细胞的两种常用干细胞为：
胚胎干细胞（ESCs）：来自胚胎的细胞，可以产生体内的所有细胞。
诱导多能干细胞（iPSCs）：在实验室中重编程的成体组织特异性细胞，其行为类似于胚胎干细胞，并且具有成为体内任何细胞类型的能力，包括心肌细胞。
此次“人工心脏”的出现，为我们在利用组织工程学联合干细胞技术治疗心脏疾病领域提供了新思路，在能适用于人体的“心脏”未到来之前，干细胞会继续致力于治疗心脏疾病的研究，相信终有一天，会迎来彻底告别心脏移植的时代！
参考资料：
1.3D Printing of Personalized Thick and Perfusable Cardiac Patches and Hearts
本文转载自微信公众号：华夏源干细胞,
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