細(xì)看3D打印技術(shù)如何推動(dòng)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的進(jìn)步

　　1. Circulation Res：重磅!3D打印補(bǔ)丁或有望修復(fù)心臟病患者受損的心臟

　　近日，發(fā)表在國(guó)際雜志Circulation Research上的一篇研究報(bào)告中，來(lái)自明尼蘇達(dá)大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究人員通過(guò)研究開發(fā)出了一種具有革命性的3D生物打印補(bǔ)丁，其能夠幫助修復(fù)心臟病發(fā)作后患者的出現(xiàn)疤痕的心臟組織，該研究對(duì)于后效治療心臟病發(fā)作患者機(jī)體的組織損傷非常關(guān)鍵。

　　據(jù)美國(guó)心臟協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)顯示，心臟病是引發(fā)美國(guó)人死亡的頭號(hào)兇手，其每年會(huì)引發(fā)超過(guò)36萬(wàn)人死亡;在心臟病發(fā)作期間，患者機(jī)體的血流往往不會(huì)泵入到心臟肌肉中，從而就會(huì)引發(fā)心臟細(xì)胞死亡;我們的機(jī)體無(wú)法替換掉這些心肌細(xì)胞，因此機(jī)體的心臟中就會(huì)形成疤痕組織，從而就會(huì)使得患者處于心臟功能受損以及未來(lái)暴發(fā)心力衰竭的風(fēng)險(xiǎn)之中。

　　這項(xiàng)研究中，研究人員利用基于激光的3D生物打印技術(shù)將衍生自成體心臟細(xì)胞的干細(xì)胞摻入到了一種特殊支架中，這種干細(xì)胞就能夠在特殊支架生長(zhǎng)，并且在實(shí)驗(yàn)室的培養(yǎng)皿中還可以實(shí)現(xiàn)同步跳動(dòng)。當(dāng)將細(xì)胞補(bǔ)丁置于模仿心臟病發(fā)作的小鼠模型機(jī)體中時(shí)，研究者發(fā)現(xiàn)在接下來(lái)四周時(shí)間里小鼠機(jī)體的心臟功能發(fā)生了明顯的增加，由于這種補(bǔ)丁是由心臟中土生土長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)蛋白和細(xì)胞組成，其會(huì)轉(zhuǎn)變成為心臟中的一部分并且被機(jī)體所吸收，這樣就可以讓患者免于手術(shù)了。

　　研究者Brenda Ogle說(shuō)道，這是治療心臟病的一項(xiàng)巨大突破，未來(lái)我們或許應(yīng)該擴(kuò)展到對(duì)大型動(dòng)物的心臟進(jìn)行修復(fù)，比如人類。這項(xiàng)研究不同于此前研究的一點(diǎn)就在于研究者能夠根據(jù)原始心臟組織的數(shù)字三維結(jié)構(gòu)蛋白開發(fā)出這種補(bǔ)丁，這種數(shù)字模型能夠通過(guò)3D打印技術(shù)制造出心臟天然的物理結(jié)構(gòu)，未來(lái)或有望對(duì)衍生自干細(xì)胞的心臟細(xì)胞類型進(jìn)行整合，僅利用3D打印技術(shù)，研究人員就能夠達(dá)到一微米的分辨率來(lái)模擬原始心臟組織的結(jié)構(gòu)。

　　研究者非常驚訝這種3D補(bǔ)丁能夠讓心臟組織具有復(fù)雜性，他們也能夠觀察到支架中排列整齊的細(xì)胞，以及跨越補(bǔ)丁結(jié)構(gòu)的持續(xù)電信號(hào)波。最后Ogle說(shuō)道，下一步他們還將通過(guò)更為深入的研究來(lái)開發(fā)在豬心臟中進(jìn)行檢測(cè)的大型補(bǔ)丁，而豬的心臟和人類心臟在尺寸上非常相似。

　　2. J Neurointerv Surg：顱內(nèi)動(dòng)脈的3D打印模型推動(dòng)高分辨MRI的進(jìn)步

　　來(lái)自南卡羅琳娜醫(yī)科大學(xué)的中風(fēng)神經(jīng)學(xué)家們與與來(lái)自麻省理工學(xué)院的生物工程師合作完成了一個(gè)顱內(nèi)狹窄動(dòng)脈的3D仿真模型。這一模型可以被用于規(guī)范高分辨MRI掃描的診斷方法。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在最近的《Journal of NeuroInterventional Surgery》雜志上。

　　高分辨的血管壁MRI技術(shù)主要用于研究腦血管中的斑塊成分，對(duì)于顱內(nèi)動(dòng)脈粥樣硬化的病理分析具有重要的作用。然而，由于高分辨MRI的操作流程一直以來(lái)不夠規(guī)范，使得不同診療單位之間無(wú)法共享數(shù)據(jù)。因此該技術(shù)沒有得到長(zhǎng)足的發(fā)展。

　　為了解決這一問題，來(lái)自南卡羅琳娜醫(yī)科大學(xué)的神經(jīng)學(xué)家Turan與來(lái)自麻省理工學(xué)院的生物工程師們合作設(shè)計(jì)了一款顱內(nèi)動(dòng)脈仿真血管模型。該模型能夠逼真地反映顱內(nèi)動(dòng)脈的狹窄狀態(tài)以及內(nèi)部存在的斑塊結(jié)構(gòu)。目前，該模型正在各大研究所廣泛研究，并將用于建立標(biāo)準(zhǔn)化的MRI診療方法。文章中的成像試驗(yàn)結(jié)果分別來(lái)自于6項(xiàng)美國(guó)境內(nèi)的醫(yī)學(xué)試驗(yàn)以及兩組來(lái)自于中國(guó)的醫(yī)學(xué)試驗(yàn)。

　　精細(xì)的“操作平臺(tái)”是建立高分辨MRI成像技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)流程的重要前提條件。然而，要想完成這一平臺(tái)的設(shè)計(jì)需要若干年的時(shí)間。對(duì)于研究者們來(lái)說(shuō)，下一個(gè)重點(diǎn)研究的問題是在不同的生產(chǎn)廠商出品的MRI儀器之間建立能夠相互識(shí)別的網(wǎng)絡(luò)。

　　中國(guó)是該“平臺(tái)”的共享地之一，同時(shí)也是顱內(nèi)動(dòng)脈粥樣硬化高發(fā)的國(guó)家之一。Turan正在與協(xié)和醫(yī)學(xué)院的研究者們建立合作，利用更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)完善這一基于3D模型建立的平臺(tái)?！爸挥屑訌?qiáng)合作，才能夠更快地取得進(jìn)展，而這一平臺(tái)為我們的合作提供了有利的工具”，Turan說(shuō)道。

　　3. Biomaterials：什么?菠菜可以用來(lái)做心臟組織?

　　研究人員已經(jīng)成功地使用菠菜葉來(lái)造出具有完整血管、能輸送血液的的功能良好的人體心組織。為了解決捐助器官長(zhǎng)期的短缺問題，科學(xué)家一直致力于在實(shí)驗(yàn)室里培養(yǎng)各種組織甚至整個(gè)器官。 但是培養(yǎng)細(xì)胞只是解決方案的一部分 ——如果沒有恒定的血液供應(yīng)，他們根本就不會(huì)茁壯成長(zhǎng)。

　　構(gòu)建可以工作的精細(xì)血管(也稱為脈管系統(tǒng))網(wǎng)絡(luò)是非常困難的，特別是毛細(xì)血管，只有5到10微米寬。 血管的功能是傳輸這些組織樣本所需的氧氣和營(yíng)養(yǎng)。現(xiàn)在由伍斯特理工學(xué)院(WPI)的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)通過(guò)使用植物中已存在的微小的靜脈網(wǎng)絡(luò)，將菠菜葉成功地轉(zhuǎn)化為活的心臟組織。

　　科學(xué)家在他們的文章中寫道：“植物和動(dòng)物用來(lái)輸送液體、化學(xué)物質(zhì)和大分子的方法從根本上是不同的，但是在血管網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面也有驚人的相似之處?！把芯咳藛T不用試圖從頭開始構(gòu)建脈管系統(tǒng)，他們只需剝離菠菜葉，直到僅剩將葉子保持在一起的精細(xì)纖維素結(jié)構(gòu)。

　　植物中的纖維素是實(shí)驗(yàn)室生長(zhǎng)樣品中使用的重要材料，因?yàn)樗呀?jīng)被很好地研究過(guò)，與生物組織相容，而且還便宜--植物資源非常豐富且容易生長(zhǎng)。 在這項(xiàng)研究里，科學(xué)家是在當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)上購(gòu)買的菠菜。為了獲得菠菜的細(xì)小血管結(jié)構(gòu)，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)在葉子中循環(huán)一種洗滌劑溶液來(lái)將植物細(xì)胞沖走，這個(gè)過(guò)程稱為脫細(xì)胞。

　　首席研究員Joshua Gershlak說(shuō)：“我之前已經(jīng)對(duì)人類心臟進(jìn)行了脫細(xì)胞化工作，當(dāng)我看著菠菜葉時(shí)，它讓我想到主動(dòng)脈。”“所以我想，讓我們來(lái)灌注植物的莖。我們一開始不確定它會(huì)奏效，但事實(shí)證明這個(gè)方法是容易且可復(fù)制的，它在許多其他植物上也奏效?！?/p>

　　該團(tuán)隊(duì)還剝離了歐芹和甜蒿的葉子，并在花生植物毛根中也用了此技術(shù)。他們期望通過(guò)進(jìn)一步的研究，讓為不同的組織選擇不同的植物成為可能——例如，木材的結(jié)構(gòu)可能在骨骼工程中是有用的。為了在真實(shí)的組織樣品中測(cè)試?yán)w維素支架，他們最終使用菠菜，因?yàn)樗托呐K組織一樣具有高密度的輸送管。研究人員將菠菜葉血管結(jié)構(gòu)與心肌細(xì)胞接種，他們興奮地看到，在幾天之內(nèi)，心臟細(xì)胞就像人體組織一樣開始自發(fā)收縮。

　　Gershlak說(shuō)：“現(xiàn)在的想法是，既然我們已經(jīng)得到具有血管網(wǎng)絡(luò)的非常薄而平坦的組織，所以我們應(yīng)該能夠疊加多個(gè)葉子并創(chuàng)建一塊心臟組織?！毙呐K組織移植對(duì)于心臟病發(fā)作后，心臟已經(jīng)損傷、不能再愈合的患者是有用的。到目前為止，這項(xiàng)研究只是一個(gè)概念證明，而且該團(tuán)隊(duì)仍在尋找將其與活的人體組織結(jié)合在一起的方式。研究人員寫道：“目前尚不清楚植物脈管系統(tǒng)如何融入人身上的脈管系統(tǒng)，以及是否存在免疫反應(yīng)?！钡搱F(tuán)隊(duì)總體來(lái)講還是十分樂觀的。

　　WPI實(shí)驗(yàn)室的生物醫(yī)學(xué)研究員Glenn Gaudette說(shuō)： “我們真的相信這種支架能夠幫助治療。 我們還有更多的工作要做，但到目前為止這是非常有希望的?！薄按朔椒ê?jiǎn)單到只需要資源豐富的菠菜葉，并把它變成一種有血液流經(jīng)的組織，這真是非常令人興奮的，我們希望它能夠在此領(lǐng)域取得重大進(jìn)展。 “這不是科學(xué)家在培養(yǎng)組織時(shí)第一次在植物上尋求啟發(fā)——加拿大渥太華大學(xué)的Pelling實(shí)驗(yàn)室去年成為頭條新聞，他們的項(xiàng)目是用蘋果切片生長(zhǎng)人類耳朵。

　　而不僅僅是生物組織科學(xué)家們?cè)谥参锵到y(tǒng)內(nèi)部探索——上個(gè)月，研究人員成功地發(fā)展了一個(gè)“機(jī)器人玫瑰”，其莖葉和葉子內(nèi)部具有電子循環(huán)功能。使用菠菜也不是創(chuàng)建人體組織血管網(wǎng)絡(luò)的唯一方法。 科學(xué)家一直在研究使用3D打印來(lái)創(chuàng)建血管，并且剛剛有少量成功案例被報(bào)道。時(shí)間會(huì)證明，哪種方法在實(shí)驗(yàn)室外更可行，但這絕對(duì)是一個(gè)令人興奮且矚目的發(fā)現(xiàn)。