華人科學(xué)家發(fā)明出3D打印干細(xì)胞心臟補(bǔ)丁

上個月，美國心臟協(xié)會（American Heart Association）出版的《Circulation Research》雜志上刊登了一篇研究，阿拉巴馬大學(xué)伯明翰分校（UAB）的張建一（ Jianyi Zhang）博士（研究的通訊作者）和明尼蘇達(dá)大學(xué)的Brenda Ogle博士的團(tuán)隊共同研發(fā)出了一個以干細(xì)胞為基礎(chǔ)的，可以修復(fù)心臟損傷的3D打印“心臟補(bǔ)丁”！研究的第一作者是張建一博士實(shí)驗(yàn)室的博士后Ling Gao，博士畢業(yè)于上海交通大學(xué)。

“心臟補(bǔ)丁”當(dāng)然是為了修補(bǔ)心臟而生的，在一些心臟病發(fā)作的時候，患者的血液不能泵入心肌，心肌細(xì)胞就會“缺血而死”，即使患者被搶救了回來，但是大量心肌細(xì)胞的死亡還是會使心臟上出現(xiàn)“疤痕”，導(dǎo)致心臟功能受損。而我們的心臟又無法自己產(chǎn)生新的細(xì)胞去修復(fù)疤痕。更“糟心”的是，死亡的心肌組織會“牽連”周圍的肌肉，使得“疤痕”慢慢擴(kuò)大，為以后埋下了不小的安全隱患。

張建一博士（右，曾就讀于上海醫(yī)科大學(xué)，現(xiàn)為復(fù)旦大學(xué)上海醫(yī)學(xué)院）和Brenda Ogle博士（左）

目前，無論是美國，還是中國，心臟病都已經(jīng)成為死亡率最高的一類疾病，每年，美國有36萬人因心臟病死亡，我國更是超過300萬，平均每5例死亡中就有2例是由于心臟病。在這樣的大背景下，一些研究人員開始著手研究怎樣“人為地簡單快速修補(bǔ)心臟”。

目前，用干細(xì)胞來治療疾病已經(jīng)是很“火熱”的研究方向了，心肌修復(fù)也不例外。過去已經(jīng)有許多科學(xué)家嘗試了簡單移植干細(xì)胞的方法，但是干細(xì)胞移植后成功分化并存活的比例實(shí)在是不高，而且移植后的功能性如何、能不能進(jìn)行電信號的傳導(dǎo)都缺少驗(yàn)證。而這兩個重要的點(diǎn)在新的研究中都取得了一定的進(jìn)步。

首先，研究人員對小鼠心肌組織的細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）進(jìn)行了3D掃描，ECM是由一些多糖、蛋白質(zhì)構(gòu)成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，分布在細(xì)胞表面和細(xì)胞間，起到連接組織結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)組織和細(xì)胞生理活動的作用。基于掃描結(jié)果，研究人員用生物可降解材料打印出了模擬小鼠心肌組織ECM的“支架”。

尤其值得一提的是，在研究中使用的掃描技術(shù)可以將分辨率＜1μm的點(diǎn)準(zhǔn)確的投射到打印材料上，因此打印出來的“支架”與小鼠本身的ECM是高度相似的。而且這也是首次將這種掃描技術(shù)成功地應(yīng)用于組織工程支架的制造上。

有了支架這個“載體”，我們的干細(xì)胞就有了“據(jù)點(diǎn)”，大量的干細(xì)胞被放在支架上，形成了真正的“心臟補(bǔ)丁”。干細(xì)胞采用的是由人的心臟成纖維細(xì)胞重編程而來的誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞（hiPSCs），放在支架上后，再誘導(dǎo)它們按照正常組織內(nèi)細(xì)胞的2：1：1的比例分化為心肌細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞。

D：3D打印出的支架；E：長滿了細(xì)胞的支架；兩圖右下角均為局部放大

這樣制作出來的補(bǔ)丁被研究人員簡稱為hCMP，在體外實(shí)驗(yàn)中，研究人員觀察到它可以“與天然的心臟組織融為一體”，所攜帶的細(xì)胞的電信號傳遞也十分順利。此外，研究人員證實(shí)，分化出的心肌細(xì)胞在“支架”上的7天存活率與目前常用的培養(yǎng)hiPSCs的Matrigel培養(yǎng)基是相差無幾的。

細(xì)胞在不同培養(yǎng)基上的存活率變化，黑色菱形為Matrigel培養(yǎng)基，黑色方塊為hCMP，黑色三角為聚乙二醇，白色三角為牛心包膜

接下來，研究人員選擇了心肌梗塞（MI）的小鼠模型進(jìn)行試驗(yàn)，將它們分為3組，一組用2個hCMP治療，一組用2個不攜帶細(xì)胞的純支架進(jìn)行治療，還有一組作為空白對照，不接受任何治療。hCMP和純支架都放置于發(fā)生過梗塞的部位，并且通過脫細(xì)胞處理的牛心包膜（包裹牛心臟的一層皮狀組織，脫細(xì)胞后不含任何細(xì)胞，避免對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生干擾）將其固定在梗塞位置，避免移動。

結(jié)果顯示，在治療進(jìn)行1周時，“移植”成功的細(xì)胞大概占24．5±2．6％，到第4周下降到11．2±2．3％。盡管發(fā)生了不小的下降，但是這個比例仍然比過去報道過的心肌細(xì)胞移植研究的比例（3－4天就從6．9％下降到了2％）要高得多。

在第28天，研究人員對小鼠進(jìn)行了超聲心動圖檢查，來評估受損心臟功能的恢復(fù)，MI＋hCMP組的小鼠果然是恢復(fù)最好的一組，兩個重要參數(shù)——左心室射血分?jǐn)?shù)（代表了心肌的收縮能力，收縮能力越強(qiáng)，射血分?jǐn)?shù)越大，＜50％為功能受損）和左心室短軸縮短率（同樣為衡量心室收縮能力的參數(shù)，＜25％為功能受損）都明顯高于另外兩組；而且梗塞部位的面積也明顯減小了。

B、C：正常小鼠、心肌梗塞（MI）小鼠、置入純支架MI小鼠和置入hCMP的MI小鼠（由上至下）的左心室射血分?jǐn)?shù)（B）和左心室短軸縮短率（C）的對比；D：心肌組織切片染色圖（順序由左至右同B、C），BP為牛心包膜

對于他們的研究成果，Ogle博士表示，這項(xiàng)研究與以前類似的研究不同，因?yàn)檫@個“補(bǔ)丁”是以天然心臟組織的結(jié)構(gòu)為模板，經(jīng)過先進(jìn)的3D掃描和打印技術(shù)制作出來的，它的物理結(jié)構(gòu)與“原生結(jié)構(gòu)”相似度非常高。只有這種類型的3D打印才能夠?qū)崿F(xiàn)1μm級的分辨率，“完美地”模擬“原生結(jié)構(gòu)”。再加上誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞，可以按照研究人員的要求分化出所需的3種類型的細(xì)胞，這種“巧妙的”結(jié)合讓他們的實(shí)驗(yàn)獲得了成功。

Ogle博士（右）和她的學(xué)生，本次研究的參與者之一，Molly Kupfer（左）展示“心臟補(bǔ)丁”

“心臟十分復(fù)雜，一開始我們對這個‘補(bǔ)丁’的工作效率是感到忐忑的，” Ogle博士說?！暗钱?dāng)我們看到細(xì)胞在支架中排列的整整齊齊，并且完整、順利的傳導(dǎo)了電信號的時候我們得到了極大的鼓勵?！?/p>

基于目前的成功，研究人員已經(jīng)開始著手開發(fā)更大的“補(bǔ)丁”，他們接下來的目標(biāo)是在豬的心臟中進(jìn)行測試，因?yàn)樗c人類的心臟大小相似，這是“心臟補(bǔ)丁”邁入臨床的重要一步。