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3D打印技术在心血管组织工程中的研究进展

来源:慧聪网 日期: 2017年09月01日

 

   20世纪初期全球心血管病死亡率占总死亡率的10%以下,但到21世纪初期,心血管病死亡率大大升高,占发达国家总死亡率的近50%,发展中国家的25%。如何降低心血管疾病的死亡率是研究者们关注的焦点。最近,3D打印技术在组织工程领域中获得了广泛的关注,为组织工程的发展提供了新的思路。

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    与传统的组织工程学相比,3D打印技术具有高精度、构建速度快、可按需制造以满足个体化医学治疗的需求、排斥反应低等优势。目前,3D打印技术已成功用于实验研究,并取得了一些成果。本文主要阐述3D打印技术在心血管组织工程(心肌组织、心脏瓣膜、冠状动脉)中的研究现状及进展。

    心肌组织

    当心肌组织受到损害时,由于心肌不能进行有效的舒缩以及瘢痕组织形成,最终导致心肌组织缺血坏死和患者死亡。传统组织工程学方法是细胞疗法,即通过在受损的心肌部位植入细胞进行修复。但这种方法的问题在于植入细胞是否能存活。3D打印技术可以解决这个问题。Gaetani等应用3D生物打印技术打印了含有心脏源性心肌祖细胞和海藻酸钠的三维结构,经过7天的培养,两种细胞的存活率分别为92%和89%,且hCMPCs保留了心脏谱系。

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    另外,3D培养环境提高了转录因子和蛋白质基因表达,同时人工基底膜侵袭实验证实了祖细胞可以从藻酸盐基质迁移,表明当此结构和心肌融合后祖细胞可以迁移到心肌受损部位进行修复。Gaebel等应用激光生物打印技术打印出含人脐静脉内皮细胞和人骨髓间充质干细胞的聚酯聚氨酯脲心脏补片,随后将补片种植到大鼠的心肌梗死区。8周后行左心导管检查发现,心肌梗死区血管形成明显增加且心肌功能得到了改善。这对于心肌梗死后心肌功能恢复的研究是一个重大突破。Pati等使用新颖的脱细胞外基质生物油墨进行3D生物打印,打印出的三维结构可以为细胞生长提供理想的微环境。随后他们将老鼠的成肌细胞封装到脱细胞心脏基质生物油墨结构中,经过4天的培养发现,成肌细胞持续表达心肌特异性基因,且至少持续表达14天。

    另外,脱细胞心脏基质生物油墨结构引起心肌肌球蛋白重链的表达要高于胶原蛋白结构。目前,虽然3D生物打印技术构建的多孔的三维结构在保持细胞活力方面取得了一些突破,但是否能使受损心肌组织功能性再生及恢复舒缩来维持泵血功能,尚需今后进一步的实验研究。

    心脏瓣膜

    目前,心脏瓣膜病的患者在接受心脏瓣膜置换手术时只有两种选择:

    (1)使用人工机械心脏瓣膜;

    (2)使用生物心脏瓣膜。

    相比生物瓣膜,人工机械瓣膜的优势是机械性能强和使用寿命长,但需要长期的抗凝治疗。生物瓣膜不需要抗凝治疗,但常会引起钙化或非钙化性结构破坏且使用寿命要比人工机械瓣膜短。因此,人工机械瓣膜和生物瓣膜都存在一些相容性、耐久性以及生长潜力等问题。构建组织工程心脏瓣膜的三大要素是种子细胞、支架材料以及细胞种植。

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    组织工程心脏瓣膜作为一个活体器官,避免了机械瓣膜和生物瓣膜置入后的缺点和不足,其生长、修复和重建能力与正常人体瓣膜的十分相似。最近,利用3D生物打印技术生成瓣膜已经成为目前瓣膜领域研究的热点。Duan等利用生物打印技术打印出解剖结构复杂的主动脉瓣,其由含主动脉窦平滑肌细胞和主动脉瓣叶间质细胞)的海藻酸钠或明胶组成。经过7天的培养发现,两种细胞的存活率分别为(81畅4±3畅4)%和(83畅2±4畅0)%,同时两种细胞都表达了α-平滑肌肌动蛋白和波形蛋白。这些研究结果表明,利用3D生物打印技术打印主动脉瓣是可行的,且最终可应用于在临床。

    随后,Duan等再次利用生物打印技术打印了三尖瓣瓣膜,由混合水凝胶以及主动脉瓣间质细胞组成,研究发现,增加混合水凝胶浓度会导致较低的硬度和较高的黏度,促进细胞扩散以及更好保持hAVICs的成纤维表型。封装在生物打印的心脏瓣膜内的hAVICs保持高活力,并通过沉积的胶原蛋白和黏多糖改变初始的基质。这些研究结果将加速对新生瓣膜置换研究的进展,为未来临床应用打下坚实的基础。虽然组织工程心脏瓣膜具有免疫原性低,无细胞毒性,较好的仿生性、耐久性和机械强度等多方面的优势,但目前还存在许多问题需要解决,如种子细胞的选择,种子细胞的快速扩增,增加细胞黏附力,种子细胞最佳数目和比例,模拟体内应力和微环境构建组织工程心脏瓣膜等。

    冠状动脉

    冠状动脉疾病是一种常见的疾病,在欧美国家发病率最高,也是死亡的首要原因。冠状动脉疾病的症状可通过改变生活方式、药物治疗、冠状动脉腔内成形术或冠状动脉旁路移植术进行控制。对于复杂的多支冠状动脉病变,冠状动脉旁路移植术是临床常规治疗方法。但术后很多患者出现血管狭窄导致手术失败,且约30%的患者由于没有合适的自体血管导致无法进行手术治疗。血管组织工程为冠状动脉旁路移植术提供了新的思路。理想的组织工程血管应该是内皮化、不形成血栓、具有和天然血管相当的生物力学特征。

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    目前,3D打印技术在生成仿生血管方面很有研究价值,因为其不仅可以根据特定的患者使用合成生物材料来生成特定的支架,而且可以将内皮细胞、成纤维细胞或间充质干细胞与生物相容性材料进行一起打印。Wu等展示了全方位打印3D仿生微血管网络。他们将易挥发的油墨沉积到固化凝胶储层里来形成分层、分支网络,随后通过液化除去油墨后,在凝胶储层里获得所需的微血管网络。但是,这种研究并没有将细胞融入到构建的微血管网络中。Miller等通过3D打印技术打印了柱形血管网络,由碳水化合物玻璃和圆柱通道两旁的内皮细胞组成。

    经过9天的培养,切面显像显示血管腔被内皮细胞包绕着,且内皮细胞形成单一或多细胞芽。这项研究证实了血管化的固体组织的3个关键部件:血管腔、内皮细胞、基质和驻留在间质区的细胞。Li等利用双头喷嘴打印技术打印了水凝胶血管网络。他们将含有脂肪间充质干细胞的水凝胶形成网络框架,同时将含有肝细胞的水凝胶放置在网络框架的周围。组装后,该结构稳定且ADSCs被诱导分化成为类似的内皮细胞。而且,在血管网络外围的ADSCs被证实了具有一些类似内皮细胞的特质。这些研究成果都证实了利用3D打印技术可以生成管状血管。但是,通过3D打印技术打印出理想的人工冠状动脉仍面临以下3个挑战:

    (1)自体血管有3层,每层有不同的细胞成分、刚度、和功能,打印的血管很难模拟每层的结构和功能。

    (2)通过3D打印技术打印出的组织工程化血管几乎都是微尺度的。

    (3)存在于人工冠状动脉内的细胞必须通过不间断的供应氧气和其他营养物质才可以存活。这些问题都需要日后进一步研究。

    3D打印技术在心血管组织工程中的运用已得到广泛的认可。但当前的研究正处于初始阶段,仍有许多问题需要解决。首先,由于水凝胶的固有属性,且用于打印的水凝胶必须保持低黏度以防止喷嘴堵塞,所以打印出的结构没有足够的机械强度来保持其形状和承受外部压力。因此,选择合适的水凝胶材料(机械性能、扩散系数、生物相容性、兼容性)是生物打印技术获得长期成功所必需的。其次,3D打印技术打印出的包括多个细胞类型的组织和器官的复杂结构没有高的分辨率,需要进一步提高。最后,工程化组织的血管化是一个关键的问题。许多研究表明,新生血管可以在二维结构中形成,而在三维结构中新生血管很难形成。虽然,3D打印技术在组织血管化方面取得一些进展,但制造完全血管化组织结构供临床应用仍需要进一步的研究。随着3D打印技术不断的发展以及心血管组织工程的深入研究,人工心血管组织有望普遍应用于心血管疾病的治疗中,为人类战胜心血管疾病打下坚实的基础。


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